KR101048263B1 - 전류 가변 장치 - Google Patents

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KR101048263B1
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Abstract

본 발명은 전류를 가변시키는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도전부를 따라 흐르는 전류의 전하운반자에 전기장을 작용시켜 전류를 가변시키는 장치에 관한 것으로, 구체적인 실시예로는 홀전압의 전기장을 이용하거나 대전체의 전기장을 이용하는 전류 가변 장치 등을 들 수 있다.

Description

전류 가변 장치{Apparatus for changing electric current}
본 발명은 전류를 가변시키는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도전부를 따라 흐르는 전류의 이동하는 전하에 홀전압이나 대전체 등의 전기장을 작용시켜 전류를 가변시키는 장치에 관한 것이다.
알려진 바와 같이 자기장에 전류가 흐르는 도선이 놓여지는 경우 도선에는 자기장과 전류 방향에 서로 직각인 방향으로 힘이 작용한다. 또한 자기장에 전하가 입사되는 경우, 전하 역시 자기장과 전하 운동 방향에 서로 직각인 방향으로 힘이 작용하는데 이 힘을 로렌츠 힘이라고 한다.
도 1은 자기장이 형성된 공간에 도체에 전류가 자기장에 수직으로 흐르는 경우 자기장과 전류 방향에 수직으로 로렌츠 힘이 작용함을 보여주는 도면이며,
도 2는 자기장에 형성된 공간에서 도체내에서 운동하는 전하에 자기장과 전하의 운동방향에 직각인 방향으로 로렌츠 힘이 작용함을 보여주는 도면이다.
도 1 및 2를 참고하여 로렌츠 힘을 설명하도록 한다.
도체(100)에 전류(I)가 x축 방향으로 흐르고 있으며 자기장(B)은 y축 방향으로 형성되어 있다고 하자.
그러면 다음과 같은 관계식으로 로렌츠 힘(F)이 z 축 방향으로 도선에 작용한다.
F = B·I×L
상기 ×는 외적(Cross Product)으로 자기장(B)와 전류(I)에 수직인 방향으로 힘(F)가 형성됨을 의미하며, L은 도선의 길이를 의미한다.
도 1은 거시적인 측면에서 로렌츠 힘을 표현한 것이다.
도 2는 미시적인 측면에서 로렌츠 힘을 표현한 것으로, 전하가 자기장에 수직인 방향으로 운동할 때 받는 힘을 설명하고 있다.
도 2에 도시한 바와 같이 지면으로 향하는 자기장(B)에 놓여있는 도선(200)에 흐르는 전류(I)에 작용하는 힘을 살펴보면, 전류(I)는 전하의 운동에 기인한 것이므로 결국 도선에 흐르는 전류에 작용하는 로렌츠 힘은 전하에 작용하고, 그러므로 결국 전하(210) Q에는 자기장에 수직이면서 전하의 운동 방향(υd)에 수직인 방향으로 로렌츠 힘(FB)가 작용한다고 할 것이다. 이때 전하(210) Q에 작용하는 로렌츠 힘(FB)은 아래와 같은 식으로 표현할 수 있다.
FB = q·vd ×B
상기에서 q는 전하의 전하량이며, vd는 전하의 운동속도이며, B는 자기장의 세기이다.
한편 상기와 같은 로렌츠 힘은 도체 즉, 도선을 따라 이동하는 전하에도 작용하며, 이에 따라 도선(200)을 따라 운동하는 전하(210) Q에 로렌츠 힘이 가해지면 전하는 그 극성에 따라 도선 양단으로 분극된다.
즉, 도 2에서 보는 바와 같이 자기장이 지면으로 입사하는 방향으로 가해지고 도선의 왼쪽에서 오른쪽으로 전류가 흐른다고 가정할 때 로렌츠 힘에 의해 +전하는 상대적으로 도선 상단으로 이동하고, -전하는 상대적으로 도선 하단으로 이동하는 결과에 이르게 된다.
그러나 이때 +전하와 -전하 사이에는 이러한 로렌츠 힘과 평형을 이루는 전계가 형성되고 형성된 전계에 의해 전하(210) Q에 전계에 의한 힘(FE)이 아래와 같은 식에 의하여 결정되는 값으로 작용한다.
FE = q·EH
상기에서 EH는 전계의 세기이다.
상기에서 로렌츠 힘과 평형을 이루도록 도선의 전하가 양쪽으로 분극되는 현상을 홀효과(Hall Effect)라 하며, 상기 전계에 의해 형성되는 전압을 홀 전압(VH)이라 하며 VH = EHㆍd의 관계가 있으며 d는 도 1에서 표시된 도선의 세로 길이 즉 전계의 길이이다.
한편 자기장에 의한 로렌츠 힘(FH)과 전계에 의한 힘(FE)이 전하에 작용하는데 전계에 의한 힘은 로렌츠 힘(FH)과 반대의 방향으로 작용하여 일정한 시간(10-6 ~ 10-11 초)가 지나면 평형상태에 도달한다. 즉, 로렌츠 힘과 전계에 의한 힘은 같아지게 된다.
이에 따라 자기장의 세기와 도체의 치수 즉, 전계의 길이를 알면 전하의 이동 속도를 아래와 같이 구할 수 있다.
vd = I/(n·q·A)
상기에서 I는 전류의 세기, A는 도체의 단면적이며 n은 전하밀도이다.
상기 전하 속도를 평형상태에서 로렌츠 힘과 전계의 힘에 대입하면, 발생되는 홀 전압(ΔVH)는
ΔVH = (I·B·d)/(n·q·A) = (I·B)/(n·q·t) = (RH·I·B)/(t)가 된다.
상기에서 도 1을 참고하여 A = td로 하였으며, RH = 1/nq로 홀 계수라 한다.
상기 식을 살펴보면, 홀 전압은 자기장의 세기와 전류의 세기에 비례하고 도체의 두께 t에 반비례함을 알 수 있다.
본 발명은 홀전압의 전기장을 이용하여 전류를 가변시키는 장치에 관한 것인데, 현재까지 이러한 홀 전압을 이용하여 도체에 흐르는 전하의 부호를 알 수 있으며 전류의 세기 등을 측정할 수 있으나, 이를 이용하여 전류를 가변시키고자 하는 시도는 없었다.
그리고 예컨대 축전기에서 전원의 +와 -전극을 각각 대향한 두 금속판에 연결할 경우 +전극을 연결한 금속판으로부터 -전하가 전원으로 이동함으로써 금속판은 +전하로 대전되고 전원의 -전극을 연결한 금속판에는 -전하로 대전되는 현상을 이용하여 단순하게 대전하는 등 여러 가지 수단을 통해 상대적으로 고전위나 저전위 등을 띤 물체(이하 "대전체"라 한다)로 형성할 수 있는데, +로 대전된 대전체와 -로 대전된 대전체를 대향하여 배치하면 전계 즉 전기장이 형성된다. 전계가 형성된 공간에서 전류가 흐르는 도체를 놓아두면 도체 내부의 전하에는 전계에 의한 힘이 작용하게 될 것이며 이러한 전계를 전류의 방향과 적절한 방향으로 배치함으로써 단위면적에 단위 시간당 통과하는 단위 전하량을 가변시킬 수 있음을 알 수 있다.
그러나 현재까지는 이러한 대전체를 이용하여 전류의 세기를 가변시킬 수 있는 장치 등이 제안되어 있지 않다.
본 발명은 상기와 같이 전기장을 이용하여 전류의 세기를 가변시키는 장치를 제공하고자 한다.
상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 전기장을 이용한 전류 가변 장치는,
소정의 크기의 직류 전류가 흐르는 도전부;
상기 도전부에 전원을 공급하는 전원 공급부; 및
상기 직류 전류에 소정의 크기와 소정의 방향으로 인가될 수 있도록 전기장을 발생함으로써 전류를 가변시키는 적어도 하나의 전기장 발생부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 전기장을 이용한 전류 가변 장치에 있어서,
상기 전기장은 홀전압과 평형을 이루는 로렌츠 힘을 차단함으로써 발생하는 홀전압의 전기장을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 가변 장치가 가능하다.
또한, 상기 전기장을 이용한 전류 가변 장치에 있어서,
상기 전기장은 대전체의 전기장을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 가변 장치도 가능하다.
상기 홀전압의 전기장을 이용한 전류 가변 장치에 있어서,
상기 전기장 발생부는,
상기 직류 전류에 소정의 각도로 인가되는 자기장을 발생하는 자기장 발생부;
상기 자기장이 형성된 영역을 통과하는 전하에 작용되는 로렌츠 힘에 의해 상기 도전부의 일측에 분극되는 양의 전하와 다른 일측에 분극되는 음의 전하에 의해 형성되는 전기장으로부터 기전력이 유도되는 홀전압 생성부; 및
상기 홀전압을 발생시킨 로렌츠 힘을 차단함으로써 상기 전기장을 발생하는 로렌츠힘 차단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 로렌츠힘 차단부에는 자기장 차폐부뿐만 아니라 홀전압 도전부, 전자석의 전원 공급부의 전원 단속 장치 등 여러 가지 수단이 속할 수 있다.
한편, 상기 자기장 발생부는 영구자석을 포함하거나; 전원 공급부를 가진 전자석을 포함할 수 있다.
그리고 상기 홀전압의 전기장을 이용한 전류 가변 장치에 있어서,
상기 로렌츠힘 차단부는,
상기 자기장 발생부에 의해 형성되는 자기장을 적어도 하나의 영역에서 차폐하기 위한 자기장 차폐부를 적어도 하나 포함하며, 상기 자기장 차폐부와 접한 도전부의 인접 부분은 전류의 변화를 강화시키기 위할 경우에는 전류의 관성 방향과 일치되도록 형성된 것을 특징으로 하는 전류 가변 장치가 가능할 뿐만 아니라,
상기 도전부에서 양의 전하가 분극되는 영역과 음의 전하가 분극되는 영역에 도선으로 각각 높이가 같은 교각을 세우고 상기 두 교각을 연결한 다리형태의 홀전압 도전부를 적어도 하나 포함하는 전류 가변 장치도 가능하다.
이 홀전압 도전부는 로렌츠 힘이 자기장과 평행한 방향으로는 작용하지 않고 차단되는 물리적 현상을 이용한 것인데, 이 경우에는 이 홀전압 도전부를 통하여 상기 전류 외에 전류가 발생하기 때문에, 전류의 감소는 발생하지 않고 전류를 증가시키는 방향으로의 가변만 가능한 특징이 있다.
그리고 상기 로렌츠힘 차단부는 상기 자기장의 세기를 가변적으로 상기 직류 전류에 인가시키는 상기 전자석의 전원 공급부를 적어도 하나 포함할 수 있다. 그런데 이 경우에는 인가되는 자기장의 크기와 방향이 변하더라도 도전부가 도 3과 같이 직선형태이면 전류의 감소는 발생하지 않고 전류를 증가시키는 방향으로의 가변만 가능하고, 전류의 증가도 인가되는 자기장의 세기에 비례하여 발생하는 특징이 있다.
상기 자기장 차폐부나 홀전압 도전부 및 전자석의 전원 공급부는 로렌츠 힘이 작용하지 못하도록 차단하여 로렌츠 힘과 평형을 이루고 있던 전기장이 작용하게 함으로써 전류가 흐르게 하는 역할을 한다.
그리고 대전체의 전기장을 이용한 전류 가변 장치에 있어서,
상대적으로 저전위로 대전되는 적어도 하나 이상의 제1대전체(510);
상대적으로 고전위로 대전되는 적어도 하나 이상의 제2대전체(520);
상기 제1대전체(510)와 제2대전체(520)는 소정의 간격으로 서로 대향하여 이격되어 설치되고, 상기 제1대전체(510)와 제2대전체(520) 사이는 소정의 유전율을 가지는 제1절연체(550)가 채워지며,
상기 제1대전체(510)에 연접하여 소정의 유전율을 가지는 제3절연체(570)가 설치되고,
상기 제2대전체(520)에 연접하여 소정의 유전율을 가지는 제4절연체(580)가 설치되고,
상기 제1절연체(550) 내부에는 상기 제1대전체(510)와 제2대전체(520)에 대해 소정의 각도를 가지며 직류나 교류 등 전류가 흐르는 도전부a(590a)가 설치되며, 전류의 변화를 강화시키기 위할 경우에는 전류의 관성 방향과 도전부의 방향이 일치하도록 형성될 수도 있는 것을 특징으로 하는 전류 가변 장치도 가능하다.
한편 상대적 고전위로 대전되는 적어도 하나 이상의 제3대전체(530);
상대적 저전위로 대전되는 적어도 하나 이상의 제4대전체(540);
제3대전체(530)와 제4대전체(540)는 소정의 간격으로 서로 대향하여 이격되어 설치되고, 상기 제3대전체(530)와 제4대전체(540) 사이는 소정의 유전율을 가지는 제2절연체(560)가 채워지며,
상기 제1대전체(510)와 상기 제3대전체(530)는 소정의 간격을 두고 인접하여 설치되고, 상기 제2대전체(520)와 상기 제4대전체(540)는 소정의 간격을 두고 인접하여 설치되며,
제2절연체(560) 내부에는 상기 제3대전체(530)와 제4대전체(540)에 대해 소정의 각도를 가지며 직류나 교류 등 전류가 흐르는 도전부b(590b)가 설치되고, 전류의 변화를 강화시키기 위할 경우에는 전류의 관성 방향과 도전부의 방향이 일치하도록 형성될 수도 있는 것을 특징으로 하는 전류 가변 장치도 가능하다.
다른 한편으로 제1대전체(510)와 제3대전체(530)의 사이에는 소정의 유전율을 가지는 제3절연체(570)가 설치되고, 상기 제2대전체(520)와 제4대전체(540)의 사이에는 소정의 유전율을 가지는 제4절연체(580)가 설치되고, 상기 제3절연체(570)와 제4절연체(580) 사이에는 소정의 유전율을 가지는 제5절연체(575)가 설치되며,
상기 제5절연체(575) 내부에는 상기 도전부a(590a) 및 도전부b(590b)와 소정의 각도를 가지는 도전부c(590c) 및 도전부d(590d)가 서로 연결되어 설치되는 것을 특징으로 하는 전류 가변 장치도 가능하다.
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상기 도전부는 상호 소정의 간격으로 이격된 적어도 둘 이상의 도선을 포함할 수 있다.
여기에서, 도전부a(590a)와 도전부b(590b)를 이동하는 전하운반자들은 상기 도전부 내에서 전하들 사이의 인력과 척력 관계에 의하여 고르게 분산되어 흐르게 되는데, 이때 제1~4대전체에 의한 전기장이 상기 도전부a(590a)와 도전부b(590b)에 가해지면 고르게 분산된 전하운반자에게도 이 전기장이 미쳐서 전하운반자들은 분극되게 된다. 그리고 새로운 전하운반자들이 고르게 분산되어 도전부a(590a)와 도전부b(590b)에 들어올 때에도 고르게 분산된 그대로 들어올 수 없고 분극된 상태에 맞게, 즉 분극되어 들어와 그 상태로 흐를 수밖에 없다. 그리고 도전부a(590a)와 도전부b(590b)의 자유전자 수와 무관하게 하나의 전하운반자가 제1~4대전체의 전하들로부터 받는 전기력은 동일하기 때문에, 제1~4대전체의 전하들로부터 받는 전기력은 즉 전류의 크기에 비례하고 도전부a(590a)와 도전부b(590b)의 자유전자 수와는 무관하다.
또한, 본 발명의 전기장을 이용한 전류 가변 장치에 있어서,
상기 직류 전류가 맥동류를 포함함은 물론이지만, 상기 직류 전류가 교류 전류로 대체되는 것을 특징으로 하는 전류 가변 장치도 가능하다. 이 경우에는 교류의 양 방향의 전류의 증가가 발생하거나 일 방향의 전류는 증가하고 다른 일 방향의 전류는 벡터합성의 결과 감소하거나 소멸할 수 있고, 이러한 성질을 이용하여 교류의 정류도 가능할 것이다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명은 종래와 같이 화석 원료 내지는 풍력, 태양열, 조력, 파력, 수력 등을 이용하지 않고 전기 에너지를 생성하는 장치와 동시에 홀전압 및 대전체 등의 전기장을 이용하여 전류의 크기를 가변시키는 장치를 제공한다.
좀 더 구체적으로는, 우선 홀전압의 전기장을 이용한 전류의 가변이 가능한데, 이러한 가변되는 전류의 크기는 홀전압의 전기장에 비례하고, 이 전기장은 자기장이 가해지기 이전의 전류의 크기에 비례하기 때문에, 전류의 증감폭, 스위칭 및 정류 등의 용도도 기대할 수 있다. 그리고 대전체의 전기장을 이용한 전류 가변의 경우에도 가변되는 전류의 크기가 전기장을 가하기 이전의 전류의 크기에 비례하기 때문에, 예컨대 전압을 시간적으로 동일하게 하고 정보가 시간적으로 변하는 전류에 의해 전해지게 할 경우, 전류의 증감폭, 스위칭 및 정류 등의 용도도 기대할 수 있을 것이다.
도 1은 자기장이 형성된 공간에 도체에 전류가 자기장에 수직으로 흐르는 경우 자기장과 전류 방향에 수직으로 로렌츠 힘이 작용함을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 자기장에 형성된 공간에서 도체 내에서 운동하는 전하에 자기장과 전하의 운동방향에 직각인 방향으로 홀전압과 평형을 이루게 될 로렌츠 힘이 작용함을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 5은 본 발명의 홀전압의 전기장을 이용한 전류 가변 장치의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 대전체의 전기장을 이용한 전류 가변 장치의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 우선 본 발명의 홀전압의 전기장을 이용한 전류 가변 장치의 동작에 대해 도 3 내지 도 5를 참고하여 설명하도록 한다.
위의 언급과 같이, 도 3 내지 도 5는 홀전압의 전기장을 이용한 전류 가변 장치의 원리를 설명하기 위한 도면으로 홀전압의 전기장을 이용한 전류 가변 장치는 자기장에 놓인 도체를 흐르는 전류에 로렌츠 힘과 평형을 이루고 있던 전기장이 로렌츠 힘이 작용하지 못하도록 차단됨으로 인하여 평형이 깨어져 가해지는 현상을 이용한 것이다.
직류 전류가 흐르는 도전부(310)에 자기장(B)가 지면의 아래에서 위로 향하는 방향으로 인가되어 있다고 가정한다.
상기에서 자기장(B)는 자성체인 영구자석 또는 전자석에 직류 전류를 인가하여 일정한 크기로 형성될 수 있다. 상기와 같이 영구자석 또는 전자석을 이용하여 자기장을 인가하는 것은 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이므로 자세한 구성 및 동작에 대한 설명은 생략한다.
상기에서 자기장(B)는 상기 자기장 차폐부 이외의 직류 전류가 흐르는 도전부 모든 영역에 인가된다. 즉, 도 3에서 자기장 차폐부(320)의 영역에는 자기장(B)가 인가되지 아니하지만 그 외의 도전부 영역에는 자기장이 인가되는 것이다.
자기장(B)가 인가되는 영역에서 도전부(310)에 흐르는 전류는 로렌츠 힘이 작용하게 되고 이에 따라 양의 전하는 상부측으로, 음의 전하는 하부측으로 각각 분극된다. 상부와 하부에 분극된 양의 전하와 음의 전하는 전기장을 형성하고 분극된 전하에 의해 형성된 전기장에 의해 전하는 로렌츠 힘과 반대방향의 힘을 받게 되고 분극된 전하의 소정값에 도달하면 로렌츠 힘과 전기장에 의한 힘은 평형을 이루게 된다. 이때 도선에 흐르는 직류 전류의 세기에는 변함이 없음에 주의하여야 한다.
상기와 같은 평형상태에서 전하가 도전부를 따라 이동할 때, 예컨대 자기장 차폐부(320)가 설치된 영역에 도달하는 경우 자기장에 의한 로렌츠의 힘은 제거되고 로렌츠 힘과 평형을 이루던 전기장이 이제는 직류 전류에 작용하게 되기 때문에, 도전부 내부에서 직류 전류는 중첩의 원리에 의해 전기장과 벡터적으로 합성된 크기와 방향으로 흐르게 된다. 그리고 이렇게 한번 합성된 전류의 크기는 외력이 가해지지 않는 한 전류법칙 및 에너지보전법칙에 따라 전류의 방향이 변경되어도 변하지 않는다. 그 결과 전기장에 의하여 직류 전류의 이동 속도는 증가하게 된다.
도 4는 자기장 차폐 영역에서 전하가 가속됨에 따라 발생되는 전류를 설명하기 위한 것으로 전류는 단위면적당 단위 시간에 통과하는 전하의 양에 의하여 얻어지는 것으로 아래의 식으로 표현된다.
I = dQ/dt = d(A·q)/dt
상기의 식에서 q는 단위 면적당 전하의 개수이다.
도 4에서 보는 바와 같이 예컨대 자기장 차폐부가 설치된 차폐영역에서는 자기장에 의한 로렌츠의 힘은 작용하지 않고 오로지 분극된 전하의 전기장에 의한 힘만이 작용하게 되므로 평형 상태가 깨지게 되고 전기장에 의한 힘으로 전하가 가속되므로 단위시간에 단위면적당 이동하는 전하의 양이 증가하게 되며 이에 따라 도전부에 흐르는 전류가 증가하게 된다.
한편, 도전부의 저항은 일정한 값을 가지고 있으므로 증가된 전류는 결국 분극된 전하에 의하여 형성된 전기장에 의한 전압의 증가로 표현할 수 있다.
도전에 인가된 전압을 Vr이라 하고 증가된 전압을 Vh라 하면,
V = Vr + Vh = (Ir + Ih)·R
Vr = Ir·R
Vh = V - Vr = Ih·R
가 됨을 알 수 있다. 상기에서 R은 도선의 저항이다.
즉, 자기장 차폐부가 설치된 영역에서 도전부에 인가되는 실질적인 전압은 최초 도전부에 인가되는 전압보다 Vh만큼 가압된다.
상기에서 설명하는 바와 같이 도전부에 전압을 인가하여 직류 전류가 흐르게 한 다음 예컨대 소정의 영역에는 자기장을 인가하고 소정의 영역에서는 자기장을 차폐하는 경우 홀전압에 의해 분극되는 전하의 전기장에 의하여 자기장이 차폐되는 영역에서 전압을 가압할 수 있음을 알 수 있다. 그러나 좀 더 정확히 설명하자면, 자기장이 차폐되는 영역에서 항상 전압이 가압되는 것이 아니라 감압될 수도 있다고 해야 한다.
즉, 이를 설명하기 위해 도 5를 보면, 320a나 320b와 같이 전기장과 전류의 방향이 일치하거나 평행할 경우에는 전압이 가압되지만, 320c와 같이 전기장과 전류의 방향이 서로 역방향이고 벡터합성의 결과 전류의 크기가 감소할 경우에는 전류와 전압이 감소하게 된다.
이때 매우 짧은 거리이지만 전류가 자기장이 차폐된 도전부를 따라 흐르지 않고 관성에 따라 흐름으로써 전류의 감소가 발생하지 않을 수 있기 때문에, 전류 감소 기능이 잘 수행될 수 있도록 예컨대 도 5와 같이 자기장 차폐부가 인접 도전부와 직선을 이루지 않을 경우 도전부의 자기장 차폐부와 접한 끝 부분은 관성에 의한 전류의 방향과 자기장 차폐부의 방향이 일치되도록 형성되어야 한다.
또한 전류의 감소뿐만 아니라, 도전부의 자기장 차페부와 접한 부분이 관성에 의한 전류의 방향과 자기장 차폐부의 방향의 일치하도록 형성됨은 전류가 반대 방향으로 흐르는 전류 증가를 위한 경우 전류의 증가에도 기여하게 된다. 따라서 전류의 감소와 증가를 위하여 상기 도전부는 전류의 관성 방향과 자기장 차폐부의 방향이 일치되도록 형성되는 것이 바람직하다.
자기장 차폐부 외에 상기 홀전압 도전부 및 상기 전자석의 전원 공급부 등도 로렌츠 힘이 작용하지 못하도록 차단하여 이제까지 로렌츠 힘과 평행을 이루고 있던 전기장이 전류에 작용함으로써 전류가 가변된다.
특히 홀전압 도전부는, 이미 언급한 바와 같이, 로렌츠 힘이 자기장과 평행한 방향으로는 작용하지 않는다는 물리적 현상을 이용하여 로렌츠 힘을 차단하여 작용하지 못하도록 하고, 이로써 로렌츠 힘과 평행을 이루고 있던 (홀전압으로 인한) 전기장을 발생시켜 전류를 발생시키는데, 이 경우에는 이렇게 발생한 전류와 본래 전류와 합성됨으로써 그 결과 전류가 증가하거나 감소하게 된다.
도 6은 본 발명의 대전체의 전기장을 이용한 가압 장치의 원리를 설명하기 위한 것으로 도 3 내지 도 5의 홀전압의 전기장을 이용하지 않고 대전체의 전기장을 이용한다는 면에서 차이가 있을 뿐 그 원리는 유사하다.
구체적으로 도 6에서 보는 바와 같이 음으로 대전된 제1대전체(510)과 양으로 대전된 제2대전체(520)이 서로 대향하여 설치되고 제1대전체(510)과 제2대전체(520) 사이에는 소정의 유전율을 가지는 제1절연체(550)가 채워진다. 또한 양으로 대전된 제3대전체(530)과 음으로 대전된 제4대전체(540)이 서로 대향하여 설치되고 제3대전체(530)와 제4대전체(540) 사이에는 소정의 유전율을 가지는 제2절연체(560)가 채워진다.
한편 제1대전체(510)와 제3절연체(530)은 제3절연체(570)에 의해 절연되어 대전상태를 유지하며 제2대전체(520)과 제4대전체(540)는 제4절연체(580)에 의해 절연되어 대전상태를 유지하게 된다.
또한 도전부a(590a) 및 도전부b(590b)는 각각 제1절연체(550) 및 제2절연체(560) 내부에서 소정의 각도로 기울어져 설치되고, 제5절연체(575)가 설치된 영역에서는 상기 도전부a(590a) 및 도전부b(590b)와 각각 소정의 각도를 이루는 도전부c(590c) 및 도전부d(590d)가 설치되고, 이 도전부c(590c)와 도전부d(590d)가 서로 연결된다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 대전체의 전기장을 이용한 전류 가변 장치의 동작을 설명하도록 한다.
도전부a~d(590a~d)에는 직류 전류가 흐르도록 직류 전원이 인가되고 있으며 이에 따라 전하가 도전부a~d(590a~d)를 따라 이동하는데 제1대전체(510) 및 제2대전체(520)가 설치된 영역에서 도전부a(590a) 내부의 전하는 제1대전체(510) 및 제2대전체(520)에 대전된 전하가 형성하는 전기장에 의해 따라 분극된다.
즉, 음으로 대전된 제1대전체(510)에 가까운 위치인 도전부a(590a)의 상부에는 양의 전하가 제2대전체(520)에 가까운 위치인 도전부b(590b)의 하부에는 음의 전하가 분극된다.
한편 제1대전체(510)에 대전된 전하의 양과 제2대전체(520)의 대전된 전하의양이 항상 같도록 하면 도전부a(590a)의 상하부에 분극되는 전하의 양도 같아지게 되며 결국 도전부a(590a) 내부에는 분극되는 전하에 의해 전기장이 형성되고 분극되는 전하에 의한 전기장과 제1대전체(510) 및 제2대전체(520)에 의한 전기장의 세기가 평형을 이룰 때까지 도전부a(590a) 내부의 전하는 분극되는 이러한 평형은 매우 짧은 시간에 일어나며 이러한 평형상태에 도달한 이후에는 전류의 세기에 변함이 없게 된다(그러나 평형상태에 도달하기 전까지는 전류와 전기장의 합성에 의하여 전류가 가변된다. 그리고 이 전류의 가변에 비례하여 전류도 가변됨은 물론이다).
즉, 제5절연체(575)가 설치된 영역에서는 대전체의 전기장이 존재하지 않음으로써 대전체의 전기장과 분극된 전하에 의한 전기장의 평형상태가 깨지게 되어 도전부c(590c) 내부의 전하는 분극된 전하에 의해 형성되는 전기장에 의해 힘을 받게 되고 이에 따라 가속되어 도전부c(590c)의 방향을 따라 흐르는 전류와 합성된 크기만큼 전류의 크기가 증가하게 된다.
그리고 분극된 전하에 의해 형성된 전기장의 힘에 의하여 전하의 이동 속도가 증가하여 발생하는 전류의 크기를 Ie라 하고, 도전부a(590a)에 흐르고 있는 전류(I)의 크기를 Ir+k1라 하고, Ie = Ir+k1 + Iv1 = Ir+k1+k2라 하면, 전류(I)의 방향이 바뀌어도 전류(I)는 Ir+k1+k2의 크기로 흐르게 된다.
이미 언급한 바와 같이, 증가된 전류는 전압의 증가로 설명할 수 있으며 도전부(590)의 저항을 R이라고 할 때, 증가된 전압 Vk는 하기와 같이 표현될 수 있다.
Vk = Ik·R
도 3 내지 도 6에서는 전기장에 의하여 전류를 가변시키는 장치가 하나만 설치된 경우에 대해서는 설명하였으나 복수 개의 가압장치를 도전부와 같이 설치할 수 있으며 설치되는 전류 가변 장치의 갯수만큼 전류를 가변시킬 수 있음은 당연한 것이므로 그 자세한 설명은 생략하도록 한다.
그리고 도 6의 경우와 같이 대전체의 전기장과 전류의 방향이 일치하거나 평행할 경우에는 전압이 가압되지만, 대전체의 전기장과 전류의 방향이 서로 반대방향이고 벡터합성에 의해 전류의 크기가 감소할 경우에는 전류 및 전압이 감소 기능을 나타냄은 앞의 홀전압의 전기장의 경우와 같다.
즉, 전류가 도 6의 도시와 반대방향으로 흐르고 전류와 전기장의 벡터합성 결과 전류의 크기가 감소되는 경우에는 전류가 감소하게 된다.
그러나 전류의 전하운반자가 도전부a(590a)를 지나 도전부c(590c)로 진입하게 될 때에는, 제5절연체(575)가 설치된 영역에는 대전체가 없고 따라서 대전체의 전기장이 없기 때문에, 전하운반자가 관성의 방향으로 이동하고 도전부c(590c)의 방향 따라 이동하지 않으면 이 부분에서는 전류가 감소하지 않게 된다.
따라서 전류감소 기능을 위해서 도전부a(590a) 및 도전부b(590b)의 인접 도전부와 접한 부분은 전류의 관성 방향과 인접 도전부의 방향이 일치하도록 형성되어 있어야 한다. 이는 전류의 감소뿐만 아니라, 전류가 반대 방향으로 흐르는 전류 증가를 위한 경우에 전류의 증가에도 기여함은 홀전압의 전기장을 이용한 전류 가변 장치와 같다.
또한, 예컨대 도 6에서 제3대전체(530)와 제4대전체(540)와 제2절연체(560) 및 도전부b가 제1대전체(510)와 제2대전체(520)와 제1절연체(550) 및 도전부a로 대체되거나, 반대로 제1대전체(510)와 제2대전체(520)와 제1절연체(550) 및 도전부a가 제3대전체(530)와 제4대전체(540)와 제2절연체(560) 및 도전부b로 대체되어 대전체가 제1대전체(510)와 제2대전체(520) 혹은 제3대전체(530)와 제4대전체(540)만으로 이루어진 전류 가변 장치도 가능하다.
그리고 이 경우에는 제5절연체 내의 도전부c와 도전부d 중 하나가 생략되고 남은 도전부가 직접 도전부a나 도전부b와 연결되는 등으로 적절히 변형될 수 있음은 물론이다.
100: 도선 200: 도선
210: 전하 310: 도전부
320: 자기장 차폐부 400: 도전부
410: 자기장 차폐부 510: 제1대전체
520: 제2대전체 530: 제3대전체
540: 제4대전체 550: 제1절연체
560: 제2절연체 570: 제3절연체
575: 제5절연체 580: 제4절연체
590a~d: 도전부a~d

Claims (13)

  1. 전기장을 이용한 전류 가변 장치는,
    소정의 크기의 직류 전류가 흐르는 도전부;
    상기 도전부에 전원을 공급하는 전원 공급부; 및
    상기 직류 전류에 소정의 각도로 인가되는 자기장을 발생하는 자기장 발생부와 상기 자기장이 형성된 영역을 통과하는 전하에 작용되는 로렌츠 힘에 의해 상기 도전부의 일측에 분극되는 양의 전하와 다른 일측에 분극되는 음의 전하에 의해 형성되는 전기장으로부터 기전력이 유도되는 홀전압 생성부와 상기 홀전압을 발생시킨 로렌츠 힘을 차단함으로써 상기 전기장을 발생하는 로렌츠힘 차단부를 포함하여 상기 직류 전류에 소정의 크기와 소정의 방향으로 인가될 수 있도록 전기장을 발생함으로써 전류를 가변시키는 적어도 하나의 전기장 발생부를 포함하되,
    상기 전기장은 홀전압과 평형을 이루는 로렌츠 힘을 차단함으로써 발생하는 홀전압의 전기장을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 가변 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 발생부는 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 가변 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 발생부는 전원 공급부를 가진 전자석을 포함하는 것을 특징으로하는 전류 가변 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 로렌츠힘 차단부는,
    상기 자기장 발생부에 의해 형성되는 자기장을 적어도 하나의 영역에서 차폐하기 위한 자기장 차폐부를 적어도 하나 포함하며,
    상기 자기장 차폐부와 접한 도전부의 인접 부분은 전류의 변화를 강화시키기 위할 경우에는 전류의 관성 방향과 일치되도록 형성된 것을 특징으로 하는 전류 가변 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 로렌츠힘 차단부는,
    상기 도전부에서 양의 전하가 분극되는 영역과 음의 전하가 분극되는 영역에 도선으로 각각 높이가 같은 교각을 세우고 상기 두 교각을 연결한 다리형태의 홀전압 도전부를 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 가변 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 로렌츠힘 차단부는,
    상기 자기장의 세기를 가변적으로 상기 직류 전류에 인가시키는 전자석의 전원공급부를 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 가변 장치.
  10. 대전체의 전기장을 이용한 전류 가변 장치에 있어서,
    상대적으로 저전위로 대전되는 적어도 하나 이상의 제1대전체(510);
    상대적으로 고전위로 대전되는 적어도 하나 이상의 제2대전체(520);
    상기 제1대전체(510)와 제2대전체(520)는 소정의 간격으로 서로 대향하여 이격되어 설치되고, 상기 제1대전체(510)와 제2대전체(520) 사이는 소정의 유전율을 가지는 제1절연체(550)가 채워지며,
    상기 제1대전체(510)에 연접하여 소정의 유전율을 가지는 제3절연체(570)가 설치되고,
    상기 제2대전체(520)에 연접하여 소정의 유전율을 가지는 제4절연체(580)가 설치되고,
    상기 제1절연체(550) 내부에는 상기 제1대전체(510)와 제2대전체(520)에 대해 소정의 각도를 가지며 전류가 흐르는 도전부a(590a)가 설치되며, 전류의 변화를 강화시키기 위할 경우에는 전류의 관성 방향과 도전부의 방향이 일치하도록 형성될 수도 있는 것을 특징으로 하는 전류 가변 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상대적으로 고전위로 대전되는 적어도 하나 이상의 제3대전체(530);
    상대적으로 저전위로 대전되는 적어도 하나 이상의 제4대전체(540);
    제3대전체(530)와 제4대전체(540)는 소정의 간격으로 서로 대향하여 이격되어 설치되고, 상기 제3대전체(530)와 제4대전체(540) 사이는 소정의 유전율을 가지는 제2절연체(560)가 채워지며,
    상기 제1대전체(510)와 상기 제3대전체(530)는 소정의 간격을 두고 인접하여 설치되고, 상기 제2대전체(520)와 상기 제4대전체(540)는 소정의 간격을 두고 인접하여 설치되며,
    제2절연체(560) 내부에는 상기 제3대전체(530)와 제4대전체(540)에 대해 소정의 각도를 가지며 전류가 흐르는 도전부b(590b)가 설치되며, 전류의 변화를 강화시키기 위할 경우에는 전류의 관성 방향과 도전부의 방향이 일치하도록 형성될 수도 있고,
    제1대전체(510)와 제3대전체(530)의 사이에는 소정의 유전율을 가지는 제3절연체(570)가 설치되고, 상기 제2대전체(520)와 제4대전체(540)의 사이에는 소정의 유전율을 가지는 제4절연체(580)가 설치되고, 상기 제3절연체(570)와 제4절연체(580) 사이에는 소정의 유전율을 가지는 제5절연체(575)가 설치되며,
    상기 제5절연체(575) 내부에는 상기 도전부a(590a) 및 도전부b(590b)와 소정의 각도를 가지며 전류가 흐르는 도전부c(590c) 및 도전부d(590d)가 서로 연결되어 설치되는 것을 특징으로 하는 전류 가변 장치.
  12. 제10항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전부는 상호 소정의 간격으로 이격된 적어도 둘 이상의 도선을 포함하는 전류 가변 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 직류 전류가 교류 전류로 대체되는 것을 특징으로 하는 전류 가변 장치.
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