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전기기사 전기자기학 · 영구자석

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영구 자석은 잔류 자기 Br 과 보자력 Hc 가 모두 큰 경자성체라서, 코일 전류 없이도 스스로 자속을 만들어 유지한다. 자석이 실제로 일하는 동작점은 B-H 곡선 제2사분면의 감자 곡선과, 공극이 정하는 부하선이 만나는 점이며, 공극이 커지면 부하선이 눕고 동작점이 Hc 쪽으로 내려간다. 동작점에서 B 와 H 를 곱한 BH 곱이 클수록 같은 부피로 더 센 자계를 낼 수 있어서, 네오디뮴이 페라이트나 알니코보다 작은 크기로 같은 일을 한다. 위 슬라이더로 공극을 넓히면 자석 회로의 자속선이 흐려지고, 아래 세 재료 버튼과 공극 비율 슬라이더로 동작점과 BH 사각형이 움직인다.

전류 없이 자계를 유지하는 비결

🧲 영구 자석의 원리
①영구 자석은 잔류 자기(Br)가 크고 보자력(Hc)도 큰 경자성체다
②코일 전류 대신 자석 자체가 기자력 노릇을 해 자속을 유지한다
③공극이 만드는 감자계에 맞서 자화를 지켜야 하므로 보자력이 커야 한다

영구 자석 자기 회로

3 mm
🔑 그림에서 볼 것
①자석은 안에서 S 에서 N 쪽(위)으로 자속을 내보내고, 자속은 위 다리 → 공극 → 아래 다리를 돌아 S 로 들어온다
②공극을 넓히면 자기 저항이 커져 자속선이 흐려지고, 동작점은 Hc 쪽으로 내려간다
③공극이 지나치게 크면 동작점이 감자 곡선의 꺾인 곳 아래로 떨어져, 공극을 다시 좁혀도 자석이 원래 세기로 돌아오지 못한다

감자 곡선과 동작점

5
동작점
감자곡선과 부하선의 교점
부하선 기울기 = −μ₀(Ag/Am)(ℓm/ℓg). 공극이 길수록 기울기가 완만해진다
💡 BH 곱의 최댓값
①BH 곱(에너지 곱)은 자석이 단위 부피마다 공극에 내줄 수 있는 에너지의 척도다
②(BH)max 가 큰 재료일수록 작은 부피로 같은 자계를 만든다
③네오디뮴(NdFeB)은 (BH)max 가 400 kJ/m³ 안팎으로, 지금 쓰이는 영구 자석 가운데 가장 세다

영구 자석 설계식

자석 설계 기본식
Bm·Am = Bg·Ag (자속 보존)
Am: 자석 단면적, Ag: 공극 단면적. ∇·B = 0(자속 보존)에서 나온다
기자력 평형
Hm·ℓm = Hg·ℓg (크기: 자석 안 감자계 · 공극 자계)
ℓm: 자석 길이, ℓg: 공극 길이. 코일 전류가 없으므로 앙페르 법칙에서 두 항의 크기가 같다
📊 재료별 특성
①알니코: Br 은 높지만 Hc 가 낮아 감자에 약하므로 길쭉한 모양으로 쓴다
②페라이트: Br 은 0.4 T 안팎으로 낮지만 값이 싸서 냉장고 자석 같은 대량 생산품에 쓴다
③네오디뮴(NdFeB): (BH)max 가 가장 커서 전동기 · 하드 디스크 같은 작고 센 자석에 쓴다

시험 핵심 정리

자속 보존
BmAm = BgAg
∇·B = 0
기자력 평형
Hmℓm = Hgℓg
앙페르 법칙(전류 없음)
🎯 시험 포인트
①영구 자석 동작점 = 감자 곡선(제2사분면)과 부하선의 교점
②(BH)max 는 자석 성능의 지표로, 클수록 작게 만들 수 있다
③Br 은 H = 0 에서의 B, Hc 는 B = 0 에서의 −H 다
④자석 설계는 BmAm = BgAg(자속 보존)와 Hmℓm = Hgℓg(기자력 평형, 크기)의 두 식이다
⑤(BH)max 는 네오디뮴이 가장 크고, 알니코와 페라이트는 그 10분의 1 안팎이다
📝 대표 기출 유형
①[영구 자석] 잔류 자기 Br 과 보자력 Hc 가 모두 큰 재료의 쓰임 → 영구 자석
②[감자 곡선] 제2사분면에서 동작점을 정하는 것 → 공극이 정하는 부하선(공극 비율)
③[BH 곱] 영구 자석 재료로 (BH)max 가 큰 것을 고르는 이유 → 같은 자계를 더 작은 부피로 낼 수 있어서이다
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