1. 패러데이 법칙 (Faraday Law)
ㅇ (1831년, 전자기유도 법칙)
- 실험에 기초하여, `결합 자속의 변화`와 `유도된 기전력` 간의 관계를 나타낸 법칙
. 자속 변화(시변 자계)가 전류(기전력)를 유도함 : (회로 관점)
. 자계 변화가 전계를 발생시킴 : (장 관점)
ㅇ (1833년, 전기분해 법칙)
- 전극 반응에 의해, `화학 변화(생성,소비)된 량`과 `흘러간 전기량(전류 x 시간)` 사이의
정량적인 관계를 나타내는 법칙
. 전기량이 전해질 내 물질의 변화(침전 등)를 초래함
※ Michael Faraday(1791~1867) : 영국 과학자
- 영국의 화학자,물리학자. 19세기 최대의 실험 물리학자. '전기학의 아버지'라고 칭송됨.
2. (전자기유도 법칙) 패러데이 법칙의 표현식
※ (시간에 따라 변화하는 자기장이, 기전력 또는 전기장을 생성한다는, 전자기 유도 현상을 설명)
ㅇ (회로이론)
* (시간에 따라 변화하는 자기장이 전류/기전력을 생성)
[# e\,m\,f = e_{\,induced} = - \frac{dΦ}{dt} \quad #]
[V] (`-` 부호는 렌쯔의 법칙 참조)
- `유도 기전력 (emf)` 및 `자속 변화 (dΦ/dt)` 사이의 관계
. 폐 회로(코일)를 통과하는 자속이 시간에 따라 변하게되면,
. 폐 회로(코일)에 전류가 흐르게되며 유도 기전력(emf)이 유도됨
- 만일, 위 패러데이 법칙을 자속 쇄교 수 λ로 다시 쓰면, {# e_{\,induced} = dλ/dt #}
ㅇ (전자기장이론)
* (시간에 따라 변화하는 자기장이 전기장을 생성)
[# \nabla \times \mathbf{E} = - \frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t} \quad #]
(맥스웰방정식 중 하나)
- `전계 회전 (벡터회전)` 및 `시변 자계 (∂/∂t)` 사이의 관계
. 시변 자계에서 전계의 회전이 일어남
.. 공간 내 어떤 점에서 시간 변화하는 자기장과 회전하는 비 쿨롱 전기장 사이의 관계
. 그 역도 추론이 가능 => 회전 전계는 시변 자계 발생
3. (전자기유도 법칙) 패러데이 법칙의 의미
ㅇ 전자기 유도가 일어나는 방식을 설명하여줌
- 자기장이 시간에 따라 변화할 때,
- 그 변화하는 자기장에 의해, 도체 내부에 유도 기전력이 발생.
- 이는 전자기 유도의 기본 원리를 설명
ㅇ 변압기,전기 발전기 등의 원리
- 변압기 : 1차,2차 권선수에 따라 적절한 유도 기전력(전압) 발생으로 전압 변성기 원리
- 발전기 : 전자기 유도 현상으로써 상업용 전기 발전기의 원리를 설명하여줌
- 자기 유속 센서 : 자기장 변화량을 측정하여 운동 속도, 위치 등을 파악
ㅇ 유도 전류 및 유도 기전력의 크기를 알려줌
- 한편, 패러데이 법칙은 유도 전류의 크기에 대해서만 언급하였고,
- 유도 전류의 방향(`-` 부호)에 대해 언급한 것은, 렌쯔의 법칙임
4. (전기분해 법칙)
※ 전기화학 반응 중인 전해질에서, 전기량 및 질량 간의 정량적 관계를, 정의하는 법칙
- 전해질 내 물질의 변화량(생성/소비된 물질의 질량, 침전된 량)은,
- 전극을 통해 흘러간 전기량(이동 전하량,전류)에 만 비례함
ㅇ (법칙 표현식)
* 물질 변화량(m)은, 오직 흘러간 전하량(Q)에 만 비례(의존)함
- m = (Q/F) (M/z)
. m : 물질 변화량 [g]
.. (전기 화학 반응에서 생성 또는 소비된 물질의 질량. 주로, 침전된 물질 질량)
. Q : 흘러간 (수송된, 공급된) 전하량 (Q = i x t) [C]
. F : 패러데이 상수 = 96,485 [C/mol]
. M : 생성 or 소비된 물질 마다 정해지는 몰질량 [g/mol]
. z : 분자 당 전하 수 [1]
.. (전기 화학 반응에 참여하는 전자 수)
. [g] = ([C] / [C/mol]) ( [g/mol] / [1])
ㅇ (패러데이 상수 : F = Q / n)
* 전자 1몰이 가진 전기량
- 패러데이 상수 (F) = (쿨롱) / (전자들의 몰수) = Q / n = 96,485 [C/mol]
* 1 패러데이 (Fraraday, F)는, 전자 1 몰이 갖는 전하량으로,
. 전자 1개 전하량에 아보가드로 수 만큼을 곱한 값 임
. (1.602 × 10–19 [C]) × (6.02 × 1023 [1/mol]) = 96,485 [C/mol]
- (단위 표현 : [F], [C/mol]) ☞ 전하의 단위 참조
. 1 [F (Faraday)] = 전자 1 몰(mole)에 포함된 전하량 = 96,485 [C/mol]
ㅇ (전기분해)
* 전기분해를 통해서 생성되는 화학 물질의 양은, 투입된 전기량에 비례함
- 석출되는 금속 질량 [g] = (Q [C]/F [C/mol]) x (금속 몰질량 [g/mol]) ÷ (반응 참여 전자 수)
= ([C]/[C/mol]) x (g 원자량)/(1 mol 금속) x (1 mol)/(n mol e-)
ㅇ (전기회로)
* 전선,전극 등 회로를 통해, 매 초 당 공급된(흐르는) 전하량(Q)은,
. 회로 관계식 (Q = i x t)에 따라, 전류[A]와 시간[sec]을 곱한 것이 됨
- 따라서, 1 [F]는, 가해진(흘러간) 전기량이, 96,485 [A·s (Ampere sec)] 만큼에 해당됨
ㅇ 한편,
- 전기화학적 셀을 통해 흐르는 전류의 크기는,
- 계면(전극 - 전해질)을 형성하는 화학종 및 그 농도에 따라서도 달라짐