무한장 솔레노이드에 전류가 흐를 때 발생되는 자장에 관한 설명 중 옳은 것은?
- 내부 자장은 평등자장이다.
- 외부와 내부의 자장의 세기는 같다.
- 외부 자장은 평등자장이다.
- 내부 자장의 세기는 0 이다.
정답과 해설 보기
정답 ① · 무한장(무한 길이) 솔레노이드 내부에서는 자장이 균일하고 축 방향으로 평등자장이 형성된다. 외부에서는 거의 0에 가깝게 소멸하므로 내부와 외부의 세기가 같지 않고 외부가 평등자장인 것도 아니다.
개념 한 쪽
전기기사 솔레노이드에 의한 자계 — 평등 자계
솔레노이드는 도선을 길게 감은 코일이다. 길이가 무한히 길다고 볼 수 있는 솔레노이드에 전류를 흘리면 안쪽에는 일정하고 균일한 자계가 생기고 바깥쪽에는 거의 자계가 남지 않는다. 이 성질 때문에 솔레노이드는 균일한 자계를 만들어 내는 수단으로 꼽힌다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「솔레노이드에 의한 자계」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 무한장 솔레노이드 자계 설명 판별 | 1 | 내부는 균일하고 외부는 거의 없다는 설명의 옳고 그름을 가림 |
| 평등 자계 얻는 방법 선택 | 1 | 균일한 자계를 얻는 가장 알맞은 방법을 고르기 |
| 무한 솔레노이드 설명 골라내기 | 1 | 자계가 안팎에서 같다는 따위의 그릇된 설명을 가림 |
뜻
솔레노이드는 길게 이어진 감은 코일로, 전류를 흘리면 코일 안쪽에 자계가 생긴다. 이상적인 아주 긴 솔레노이드는 안쪽에 일정하고 균일한 자계가 생긴다. 바깥쪽은 거의 자계가 없다. 그래서 안과 밖의 자계 크기가 같지 않다.
길이가 매우 긴 솔레노이드는 안쪽에서 자석처럼 균일한 자계를 만든다. 코일의 끝이 무한히 멀다고 가정하면 끝의 영향이 사라지고 내부 자기장이 거의 균일해진다. 가운데 부분은 코일의 끝 영향이 거의 없어 평등 자계가 된다.
일상으로 비유하면, 길게 늘어선 전등줄의 가운데는 양쪽 끝의 영향이 적어 빛이 고르게 퍼지는 것과 비슷하다. 솔레노이드의 가운데 부분도 양쪽 끝의 영향이 작아 균일한 자계가 유지된다. 이런 이유로 평등 자계를 얻으려면 긴 솔레노이드를 쓰는 것이 알맞다.
예제
이 개념 문제는 무한장 솔레노이드 내부와 외부의 자계 상태를 묻는다. 내부는 균일한 자계, 외부는 거의 자계가 없다는 점을 가려내면 된다. 안과 밖의 자계 크기가 같다고 보는 선택지는 틀린 설명이다. 균일한 자계를 만들어 내는 가장 알맞은 답도 긴 솔레노이드다.
대표 기출 3문항
평등 자계를 얻는 방법으로 가장 알맞은 것은?
- 길이에 비하여 단면적이 충분히 큰 솔레노이드에 전류를 흘린다.
- 길이에 비하여 단면적이 충분히 큰 원통형 도선에 전류를 흘린다.
- 단면적에 비하여 길이가 충분히 긴 솔레노이드에 전류를 흘린다.
- 단면적에 비하여 길이가 충분히 긴 원통형 도선에 전류를 흘린다.
정답과 해설 보기
정답 ③ · 문제는 내부에 거의 균일한(평등) 자계를 얻기 위한 조건을 묻는다. 솔레노이드 내부가 균일한 자계를 이루려면 길이가 단면 치수에 비해 충분히 길어야 한다는 원리가 있다(끝 효과가 무시되므로).
다음 중 무한 솔레노이드에 전류가 흐를 때에 이에 대한 설명으로 가장 알맞은 것은?
- 내부 자계는 위치에 상관없이 일정하다.
- 내부 자계와 외부 자계는 그 값이 같다.
- 외부 자계는 솔레노이드 근처에서 멀어질수록 그 값이 작아진다.
- 내부 자계의 크기는 0이다.
정답과 해설 보기
정답 ① · 무한 길이의 솔레노이드 내부에서는 모든 횡단면에서 자계가 균일하고 위치에 무관하게 일정하다(이론적으로는 내부 자계가 균일). 외부 자계는 이론적으로 거의 0에 가깝고 내부와 외부가 같지 않으며 외부 자계가 솔레노이드 근처에서 거리 따라 감소한다는 설명은 무한 솔레노이드 이론과 맞지 않는다.
자주 묻는 물음
- 무한장 솔레노이드에 전류를 흘리면 자계는 어떻게 되나요?
- 안쪽에는 일정하고 균일한 자계가 생긴다. 바깥쪽에는 거의 자계가 남지 않으므로 안과 밖의 자계 크기는 같지 않다.
- 평등 자계를 얻는 방법으로 무엇이 알맞은가요?
- 긴 솔레노이드를 쓰는 것이다. 길게 늘어선 코일의 가운데 부분은 끝의 영향이 거의 없어 내부 자기장이 거의 균일해진다.
- 코일 끝 부분의 영향은 어떻게 줄이나요?
- 솔레노이드의 길이를 충분히 길게 하면 된다. 길이가 매우 길면 끝이 자계에 미치는 영향이 사라져 가운데 부분이 평등 자계가 된다.
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