점핑링(Jumping Ring)-렌츠의 법칙

렌쯔의 법칙을 이용한 jumping ring 동영상입니다.

 

 

스위치를 닫아 아래쪽 솔레노이드 코일에 교류 전류가 흐르면 자기장이 생기고 자속이 변하므로 링에 유도 전류가 반대 방향으로 흐르게 된다. 코일에 전류가 흐르면 링의 전류의 방향은 오른쪽으로 나오고 왼쪽으로 들어가는 방향이다. 완벽한 솔레노이드가 아니므로 코일에서 발생한 자기장의 수평성분과 링의 유도전류에 의해 생긴 자기장이 작용해서 링이 힘을 받아 뜨게 된다.

 

액체 질소에 링을 담근 경우에는 링의 저항이 작아 전류가 많이 흘러 자기장의 세기가 세어지므로 더욱 높이 올라가게 된다. 손으로 링을 누르고 있으면 열이 많이 발생하는데 이를 Inductive Heating이라 한다. 링의 저항이 크거나 무게가 크면 높이는 더욱 낮아진다.

두 도선에 나란히 전류가 흐르면 인력이 작용한다. 한편 원통 안에는 여러 개의 철판 사이사이에 절연체를 넣어 만든 철심을 넣는다. 이는 철심이 한 덩어리라면 유도 전류가 많이 생기기 때문에 굉장히 뜨거워질 것이다. 열손실을 줄이기 위해서 철심이 절연체에 의해서 분리된 여러 개의 얇은 판으로 되어 있다면 철심에 생기는 유도 전류는 휠씬 줄어들어 열손실을 줄일 수 있다.

 

만일 다음 그림처럼 전자석을 수직으로 놓고 전자석의 위쪽에 판지를 끼우고 판지 위에 구리 고리를 놓은 후 직류 전류를 전자석에 흐르게 하면 교류와는 다른 현상이 발생한다.

        

 

스위치를 갑자기 닫으면 구리 고리는 위로 튀어 올라간다. 원리는 다음의 오른쪽 그림과 같다. 스위치를 갑자기 닫으면 전자석은 자기장의 방향은 아래쪽으로 증가하는 방향으로 자기장이 변하게 된다. 그러면, 구리 고리에는 이 변화를 방해하는 방향인 위쪽 방향으로 자기장이 만들어 지기 위해서 위에서 보았을 때 반시계 방향으로 유도전류가 흐르게 되며 결국 유도전류에 의해 자기장의 방향은 위쪽이 된다. 따라서, 자기장의 방향에 따라 N극과 S극을 표시하면 오른쪽 그림과 같게 되며 전자석의 N극과 구리 고리의 S극이 더 가까이 있기 때문에 위 쪽 방향으로 힘을 받게 되어 튀어 올라가게 된다. 단, 스위치를 닫는 순간에만 유도전류가 발생하기 때문에 떠 있는 것이 아니라 튀어 올라가는 것이 교류와 다른 점이다. 판지를 전자석의 중간에 놓으면 구리 고리는 움직이지 않을 것이며 판지를 전자석의 아래쪽에 놓으면 구리 고리가 아래쪽으로 힘을 받기 때문에 판지를 누르게 되어 역시 구리 고리는 움직이지 않는다.