전기차 모터의 페러데이 법칙과 직류 교류

페러데이 법칙과 모터의 원리

이전 글에서 로렌츠 힘에 대해 논의한 바 있으니, 이번에는 페러데이 법칙에 대해 이야기해보려 합니다.

페러데이 법칙의 기본 이론은 매우 단순합니다. 이를 간단한 수식으로 요약할 수 있는데, 이는 다음과 같죠

 

그 핵심은 바로 "시간에 따라 자속이 변화하면 그 자속이 지나가는 공간에 전압이 발생한다"는 것입니다. 이로 인해 전기장의 시간적 변화는 자기장을 유발하게 되며, 이러한 현상이 모터의 동작 원리를 설명하는 중요한 요소니 좀 더 이야기해 볼까요?.

 

전기차 모터에서 로렌츠 힘

 

페러데이 법칙의 핵심

 결론적으로, 자속(magnetic flux)이 시간에 따라 변화할 때 전압이 발생하고, 이는 전류를 생성합니다. 이 전류가 다시 자기장을 발생시키는 순환 과정이 모터의 회전 원리와 맞물리게 됩니다. 간단히 말해, 시변 전류(time-varying current)에 따라 생성된 자기장을 활용해 모터는 회전하는 것이죠.

 

 말이 좀 어렵나요 좀 더 직관적으로 말해보면 전기를 흘려주면 그거로 뺑뺑돈다를 원리 원론적으로 접근했다 정도로 이해하시면 되겠습니다. 이 말을 논리적으로 설명하기 위한 방식이에요

 

미시 세계에서 거시 세계로

 

 

 하지만 여기서 한 가지 중요한 점은, 이러한 방정식들은 미시 세계에서의 해석에 더 가깝다는 것입니다. 이를 거시 세계로 확장하려면 회로 이론과 전자기학을 통해 전압, 전류, 그리고 자기장을 더욱 정밀하게 분석해야 합니다. 모터는 이러한 미시적 전류와 자기장의 변화를 뉴턴의 운동 방정식으로 연결해 실제 기계적 회전력을 발생시키는 장치라고 할 수 있으니 말이죠 그럼 이제 제대로 전기이야기를 해봅시다.

전압과 전류의 개념

이제 전압과 전류의 개념을 논해보겠습니다. 사실, 이 두 개념 자체는 어렵지 않습니다.

전압은 쉽게 말해 전하들이 모여 위치 에너지를 형성한 것이라고 볼 수 있으며, 전류는 그 전하들이 흐르는 것을 의미합니다. 그리고 그 흐름을 방해하는 것이 저항이죠.

 

그렇다면 문제는, 이러한 전하의 흐름을 미시적으로 분석하는 데 있습니다. 미시 세계에서 전류는 분자들이 전하의 흐름을 얼마나 방해하는지를 수치적으로 표현하는 값이다 정도만을 정리하죠 사실 뭐 이에 대해서는 한 번 더 깊이 있게 따로 전체 수식을 정리할 예정이니 일단 넘어가죠

직류와 교류의 개념

여기서 우선 대충 이해했으니 직류(DC)와 교류(AC)에 대해 이야기해 볼까요? 전하의 흐름이 시간에 따라 일정하면 직류, 시간에 따라 변하면 교류라고 정의할 수 있습니다. 말은 어렵지만 시간에 따라 일정하면 직류 변하면 교류라는 개념으로 아래와 같이 직관적으로 보시는 게 편할 겁니다.

 

 

옴의 법칙

그렇다면 전압, 전류, 저항을 하나의 방정식으로 설명할 수 있을까요? 여기서 등장하는 것이 바로 옴의 법칙입니다.

V=IR

전압과 전류 사이에는 비례 관계가 존재하며, 이 관계는 저항에 의해 달라진다는 것입니다. 뭐 사실 기본적으로 이 글을 보시는 분들은 이에 대한 기본적인 이해정도는 있을 테니 간단하게 있다 하고 넘어가죠

교류와 임피던스

 

잘 아시겠지만 문제는, 우리가 모터에서 주로 사용하는 교류로 넘어가면 저항(R)이 임피던스(Z)라는 개념으로 해석된다는 점입니다. 여기에는 인덕터(Inductor)와 커패시터(Capacitor)와 같은 추가적인 개념이 등장하게 됩니다. 결국 이 부품들을 해석하는 학문이전자기학이고 이를 활용하는 학문이 회로이론이라 할 수 있겠네요 

V=IZ

이처럼 직류에서의 기본적인 전압-전류-저항 관계는 교류로 넘어가면서 복잡해지며, 이걸 모터에 어찌 활용할까 대한 논의는 다음 시간에 다뤄보도록 하겠습니다.