영구자석

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영구자석은 잔류자기 Br이 크고 보자력 Hc가 큰 경자성체로, 외부 전류 없이도 스스로 자속을 만들어 유지해요. 자석의 실제 동작점은 제2사분면의 감자곡선과 에어갭이 정하는 부하선이 만나는 지점에서 결정되는데, 에어갭이 커지면 자기저항이 늘어 자속이 줄어들어요. 단위 부피당 에너지를 나타내는 BH곱이 클수록 작은 크기로도 강한 자계를 낼 수 있어서, 네오디뮴이 페라이트나 알니코보다 성능이 좋아요. 버튼으로 재료를 고르고 슬라이더로 에어갭을 바꿔 가며 동작점과 BH곱이 어떻게 움직이는지 확인해 봐요.

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

🔑 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

동작점

감자곡선과 부하선의 교점

부하선 기울기 = −μ₀(Ag/Am)(ℓm/ℓg): 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