전자기학›6장 자성체와 자기회로

영구자석

Permanent Magnets

전류 없이 자계를 유지하는 비밀

🧲 영구자석의 원리

①영구자석 = 높은 잔류자기(Br)와 큰 보자력(Hc)을 가진 경자성체

②외부 전류 없이도 자석 자체가 기자력 역할 → 자속 유지

③에어갭의 감자 효과에 맞서 자화를 유지할 수 있어야 합니다

영구자석 자기회로

에어갭 크기 [mm]3 mm

영구자석 자기회로 — 에어갭이 커지면 외부 자속↓

🔑 핵심 관찰

①영구자석이 기자력(F) 역할 — 코일(NI) 대신 잔류자기(Br)가 구동

②에어갭↑ → 자기저항↑ → 자속↓ → 동작점이 Hc 쪽으로 이동

③에어갭이 너무 크면 감자되어 자석이 "약해질" 수 있습니다

감자곡선과 동작점

에어갭 비율 (부하선 기울기)5

감자곡선(B-H 제2사분면)과 동작점 — 에어갭 비율로 결정

동작점

감자곡선과 부하선의 교점

부하선 기울기 = −μ₀(Am/Ag)(ℓg/ℓm) — 에어갭이 결정

💡 BH곱 최대점

①BH곱(에너지 적) = 단위 체적당 자석이 제공하는 에너지

②(BH)max가 큰 재료 = 작은 체적으로 강한 자계 유지 가능

③네오디뮴(NdFeB): (BH)max ≈ 400 kJ/m³ — 현존 최강 영구자석

영구자석 재료 비교

자석 설계 기본식

Bm·Am = Bg·Ag (자속 보존)

Am: 자석 단면적, Ag: 갭 단면적 — ∇·B = 0에서 유도

기자력 평형

Hm·ℓm = Hg·ℓg (감자계 = 갭 자계)

ℓm: 자석 길이, ℓg: 갭 길이 — 앙페르 법칙 적용

📊 재료별 특성

①알니코: 높은 Br, 낮은 Hc → 감자에 약함, 긴 형상 필요

②페라이트: 중간 성능, 저렴 → 대량생산 자석 (냉장고 자석 등)

③네오디뮴(NdFeB): 최고 (BH)max → 소형·고성능 (전동기, 하드디스크)

시험 핵심 정리

자속 보존

BmAm = BgAg

∇·B = 0 적용

기자력 평형

Hmℓm = Hgℓg

앙페르 법칙

🎯 시험 포인트

①영구자석 동작점 = 감자곡선(제2사분면)과 부하선의 교점

②(BH)max: 자석의 성능 지표 — 클수록 소형화 가능

③Br(잔류자기): H=0에서의 B / Hc(보자력): B=0에서의 −H

④자석 설계: BmAm = BgAg (자속보존) + Hmℓm = Hgℓg (기자력평형)

⑤네오디뮴 > 페라이트 > 알니코 순으로 (BH)max 큼

📝 대표 기출문제

①[영구자석] 잔류자기 Br이 크고 보자력 Hc가 큰 재료의 용도는? → 영구자석

②[감자곡선] B-H곡선 제2사분면에서 동작점을 결정하는 요소 → 에어갭 비율

③[BH곱 최대] 영구자석 재료 선정 시 (BH)max가 큰 재료를 선택하는 이유