KR101779415B1 - 지구 자기장 탐지 장치 - Google Patents

Abstract

본원 발명은 지구 자기장 탐지 기술에 대한 것으로 보다 더 상세히는 지구 자기장의 변화를 정밀하게 탐지하는 것이다.
이를 위해서 본원 발명에 따른 지구 자기장 탐지 장치는 전류가 흐르는 도체로서 원형으로 구성되는 도선, 도선에 일정한 방향으로 일정한 전류가 흐르도록 구성되는 전원, 도선이 가운데 위치하면서, 도선의 평면방향으로 전기장을 형성하도록 구성되는 전기장 발생장치 및 도선과 연결되며, 도선에 걸리는 힘 또는 움직임을 측정하는 계측장치를 포함한다.

Description

지구 자기장 탐지 장치{An apparatus for detecting earth's magnetic field}

본 발명은 지구 자기장 및 그 변화를 측정할 수 있는 기술에 관한 것이다.

지구 자기장은 나침판을 읽는 것을 통해 가장 쉽게 판별할 수 있다. 단순히 지도를 읽거나 방향을 알기 위해 이용되는 지구 자기장은 사실 지구상의 생명체들이나 기타 지구적인 현상을 연구하는 이들에게 매우 중요한 역할을 한다.

즉, 태양이나 우주로부터 방사되는 태양풍(solar wind)이나 우주선(cosmic ray)은 아주 강한 방사능이 있어 생명체에게 매우 해로운데, 지구 자기장은 이러한 우주로부터의 방사능으로부터 지구를 보호하는 역할을 하고 있다. 뿐만 아니라, 지구 현상들, 즉, 지진, 화산, 전리층등을 연구하는데 있어 지구 자기장은 반드시 고려해야 하는 현상이다.

종래의 경우, 지구 자기장의 탐지는 N극에서 S극으로 향하는 지구 자기장의 존재를 탐지하는 것으로서 한국 특허 제405619호에서 처럼 모바일 기기에서 자기장 탐지 센서등을 통해 자기장을 탐지하는 것에 그치고 있었다.

그러나, 빈번한 화산 활동이나 지진등의 자연변화에 자기장의 변화가 수반한다는 것이 알려지면서 지구 자기장의 존재 및 이의 변화여부를 탐지하는 것이 중요한 기술적 과제가 되었다.

위에서 지적된 바와 같이, 본 발명은 지구 자기장 및 이의 변화를 탐지하는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 보다 정밀한 지구 자기장 변화 탐지를 가능케 하는 기술을 제공하는데 또다른 목적이 있다.

본원 발명에 의한 지구 자기장 탐지 장치는 전류가 흐르는 도체로서 원형으로 구성되는 도선, 상기 도선에 일정한 방향으로 일정한 전류가 흐르도록 구성되는 전원, 상기 도선이 가운데 위치하면서, 상기 도선의 평면방향으로 전기장을 형성하도록 구성되는 전기장 발생장치 및 상기 도선과 연결되며, 상기 도선에 걸리는 힘 또는 움직임을 측정하는 계측장치를 포함한다.

또한, 본원 발명에 의한 지구 자기장 탐지 장치는 밀폐를 위한 하우징을 더 포함할 수 있다.

또한, 본원 발명에 의한 지구 자기장 탐지 장치는 이 장치를 지표면에 대해서 일정 각도를 유지시켜주는 각도유지장치를 더 포함할 수 있다.

또한, 본원 발명에 의한 지구 자기장 탐지 장치는 도선을 지탱하는 지탱자를 더 포함할 수 있다.

또한, 본원 발명에 의한 지구 자기장 탐지 장치는 계측된 결과를 표시하는 표시장치를 더 포함할 수 있다.

또한, 본원 발명에 의한 지구 자기장 탐지 장치의 전원은 미리 결정된 크기의 전류를 상기 도선으로 공급하거나, 또는 상기 도선에 흐르는 유도 전류의 크기를 측정한 후 그만큼의 전류를 상기 도선으로 흘려보낼 수 있다.

본 발명에 따른 지구 자기장 탐지 기술은 자기장의 측정 후에 이를 검증하거나 교정(calibration)하는 것이 용이하다.

본 발명에 따른 지구 자기장 탐지 기술에 따른 지구 자기장 측정은 측정하는 사람에 따라 측정값이 다를 수 있는 인간 영향(human factor)이 적으며, 탐지시에 주변 전자기파가 존재하는 경우에도 그 영향을 많이 받지 않는 측정 결과를 도출할 수 있다.

본 발명에 따른 지구 자기장 탐지 기술에 따른 지구 자기장 측정을 통해 즉각적인 지구 자기장의 변화를 알 수 있으므로, 이를 통해서 지진이나 화산의 감시, 전리층의 변화 감지 등을 용이하게 한다.

도 1은 본 발명에 따른 지구 자기장 탐지 장치를 도시한다.
도 2는 도 1을 A 방면에서 바라본 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 지구 자기장 탐지 장치의 또 다른 일례를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 지구 자기장 탐지 방법을 도시한다.
도 5는 본 발명의 물리적 원리(F = q v X B)를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 또한 도 5와 같이 본 발명의 물리적 원리(F = q(E + v X B), 로렌츠 힘)를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 지구 자기장 탐지 장치에서 자기장 변화에 따라 도선에 작용하는 힘의 변화를 시간(x축)-힘(y축) 평면에서 보이는 예시 도면이다.

이하 도면과 함께 발명을 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명의 원리에 대해 설명하겠으며, 현재 공지된 기술이라고 알려진 물리법칙, 이에 사용되는 수식 등은 그 결과만을 사용한다.

한편, 명세서 전체를 통해서 동일한 객체는 동일한 도면 부호를 사용하도록 하겠으나, 만일 그렇지 않은 경우는 그 내용을 명세서에서 설명한다.

먼저 도 5는 본 발명의 물리적 원리에 대해 도시하고 있다.

도선(51)이 위치하고 있을 때 외부 자기장(54)이 발생하는 경우(여기서는 아래에서 위쪽으로 발생한다고 가정하고 설명한다.)이다.

이 경우 자기장(54)을 방향과 크기를 가지는 B라고 놓고 그 최종적 크기를 |B|라고 하면, 자기장 B는 일정 시간(Δt)동안 크기가 0에서 |B|로 증가했다고 할 수 있다.

이 경우 렌츠의 법칙에 의해서 도선(51)에는 자기장(B)의 증가를 방해하는 방향으로 자기장(B')이 발생하도록 하는 방향(53)으로 전류(i)가 발생하게 된다.

도 5의 경우 발생 전류의 방향은 시계방향이며, 이를 통해 실질적인 전자의 운동방향은 시계반대방향임을 알 수 있다.

위에서 일정 시간(Δt)동안이라고 언급했는데, 따라서 위 전류(i)는 외부 자기장(B)이 변화하는 동안에만 발생하며 일단 최대 크기가 되어 안정되면 전류는 사라지게 된다.

이 경우 자기장에서 움직이는 대전입자가 받는 힘은 다음 수식 1과 같이 정의된다.

(수식 1) F = q (v x B)

수식 1에서 F는 대전입자가 움직이면서 받는 힘(단위 N), q: 대전입자의 대전량(단위 C), v는 대전입자의 속도(벡터량), B는 자기장(벡터량)을 각각 나타내며, v x B에 사용된 x는 일반곱셈이 아닌 벡터의 곱(cross product)를 나타낸다.

이미 공지된 벡터곱(cross product)에서 알 수 있듯이, 자기장에서 운동하는 대전 입자는 자기장과 자신의 초기 운동방향과 서로 수직인 방향으로 자신의 대전량에 비례하는 힘(F)을 받게 되어 결국 자기장안에서 원운동을 하게 된다.

도 6은 도 5와 동일하지만 앞쪽으로 튀어나오는 방향으로 자기장(E)이 걸린 차이가 있다. 이 경우 전기장과 자기장이 존재하는 공간에서의 대전입자(전류)의 움직임을 정의하는 로렌츠 힘(Lorentz force)는 다음 수식1과 같이 정의된다.

(수식 2) F = q(E + v x B)

수식 2에서 F는 대전입자가 움직이면서 받는 힘(단위 N), q: 대전입자의 대전량(단위 C), E는 전기장(벡터량), v는 대전입자의 속도(벡터량), B는 자기장(벡터량)을 각각 나타내며, v x B에 사용된 x는 일반곱셈이 아닌 벡터의 곱(cross product)를 나타낸다.

위 수식을 전자기장에서의 대전입자의 움직임을 나타내도록 정리하면, 다음 수식 3과 같다.

(수식 3) v = (E x B) / B²

수식 3에서 v는 대전입자의 속도(벡터량), E는 전기장(벡터량), B는 자기장(벡터량)을 각각 나타내며, E x B에 사용된 x는 일반곱셈이 아닌 벡터의 곱(cross product)를 나타낸다.

즉, 전기장과 자기장이 함께 작용하는 공간에서의 대전입자는 원운동을 하는 힘 이외에 E x B 방향, 즉 전기장(E)와 자기장 (B)에 서로 수직인 방향으로 일정한 힘을 받게 된다.

이 힘은 도 6과 같은 경우라면, 전기장은 명세서의 뒤쪽에서 앞쪽으로 나오는 방향이고 자기장은 아래에서 위쪽 방향이므로 벡터곱(cross product)에 의해서 왼쪽방향이 된다.

위와 같은 기본적인 사항을 기초로 본 발명에 대해 설명한다.

도 1, 2는 본 발명에 따른 지구 자기장 탐지 장치의 한 예를 보이는데, 전류를 흘려보낼 수 있도록 원형으로 구성된 도선(10)과 이 도선에 전류를 공급하는 전원(30), 그리고 이 도선상에 전기장을 발생시킬 수 있는 전기장 발생기(20), 도선이 받는 힘을 측정하는 계측장치(40)를 도시한다.

위 구성 이외에 전원과 도선을 연결하는 연결부(31)및 계측장치와 도선을 연결하는 연결부(41)를 포함할 수 있다.

상기 전원(30)은 단순히 전원을 공급하는 역할뿐만 아니라, 미리 결정된 크기의 전류를 공급할 수 있는 기능과 함께 도선에 발생하는 유도전류의 존재 및 크기를 감지하는 기능을 가질 수도 있다.

한편, 상기 전기장 발생기는 반드시 두 부분으로 구성될 필요는 없고 한부분만으로 구성될 수도 있다.

상기 전기장 발생기에 전력을 공급하는 전원은 외부 전원이거나 전원(30)이 될 수도 있다.

본원 발명의 동작을 설명한다.

도 6에서 설명된 내용은 기본적으로 본 발명에 의한 장치에 적용되는바, 도 6의 내용을 기본으로 설명하겠다.

먼저 본 장치의 설치를 통해서 도선(10)에는 지구자기장에 의한 유도전류가 발생할 수 있다. 이 유도전류를 전원(30)이 감지하여 그 크기와 동일한 전류를 도선에 흐리거나, 또는 전원(30)이 미리 결정된 일정 전류를 도선에 흘릴 수도 있다.

한편, 전기장 발생기에서 전기장(E)을 발생시켜서 상기 도선에 일정한 전기장이 미치도록 한다. 이때 전기장은 물리법칙에 의해 대전체(+)로부터 대전체(-)로 향하게 되므로 전원은 AC를 DC로 변환해주는 장치등이 필요함은 너무 명백하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

지구 자기장에 의해 최초로 유도전류가 발생한 이후 지구 자기장이 일정 수준에서 안정되면 더이상 유도전류는 발생하지 않게 된다. 이 때 전원(30)은 검출된 유도전류와 동일한 크기의 전류를 도선(10)에 흘리거나 또는 이와는 상관없이 미리 결정된 크기의 전류를 도선(10)에 흘릴 수 있다.

전원에 의해 발생되는 전류에 의한 자기장(도 5, 6의 B')과 지구 자기장(eh 5, 6의 B)가 서로 상쇄되어 Net B(도선이 이루는 원 내부에 작용하는 자기장의 총합)는 0이 된다. 즉, 도선내부에서는 자기장이 0이되는 steady 상태가 된다. 이 경우, 도 6에서 이미 설명된 바와 같이 일정 전류(i)에 의해 지구 자기장B이 B'에 의해 상쇄되어 total 자기장은 0이 된다. 따라서, 일종을 평형상태가 유지된다.

이 때, 여러가지 이유로(화산, 지진, 외부 우주에서의 충격에 의한 전리층의 변화 등) 지구 자기장이 평형상태보다 더 강해지거나 더 약해지는 변화가 발생하면, 현재 도선(10)에흐르는 전류의 대전입자(즉, 전류의 반대방향으로 흐르는 자유전자들)에는 지구 자기장의 변화량 (ΔB)만큼 수식 3에 의해서 일정 방향의 속도를 가지게 되며 이는 결국 일정 방향으로 작용하는 힘으로 나타난다. 이 속도는 일정 방향으로의 힘을 의미하는데, 만약 ΔB가 (+)이면 (즉, 자기장이 평형상태일때보다 증가할 때), 도 6의 경우에는 도선(10)이 왼쪽으로 움직이는 힘을 받게 된다.

한편, ΔB가 (-)이면 (즉, 자기장이 평형상태일때보다 감소할 때), 도 6의 경우에는 도선(10)이 오른쪽으로 움직이는 힘을 받게 된다. 이 힘의 방향은 수식 3의 E x B 의 벡터 곱에 의해 결정된다.

도선(10)이 평형상태에서 일정 방향으로 힘을 받게 되면, 이때 나타나는 변화를 계측장치(40)가 측정하게 된다.

도 2는 도 1을 A 방향에서 바라보는 본 발명에 의한 지구 자기장 탐지 장치를 도시한다.

도 1과 도2에서 모두 도선을 유지하는 지탱자(50)가 어디에 연결되는지는 표시되지 않았는데, 그 이유는 본 발명에 의한 장치에 있어서 계측장치(40)가 지탱자(50)에 직접 부탁될 수도 있으며, 그렇지 않은 경우, 가는 부도체의 선에 매달린 형태 등 미세한 힘의 변화를 감지할 수 있는 어떠한 공지의 구조도 모두 가능하기 때문이다.

도 3에는 도 1에서 더 추가될 수 있는 구성들이 도시된다.

본 발명에 따른 장치는 하우징(housing, 70)을 구성으로 더 가질 수 있는데 이 하우징은 외부 바람 및/또는 전기장 차폐기능을 가질 수 있어 보다 정확한 자기장 탐지 기능을 제공할 수도 있다.

본 발명에 따른 장치는 각도 유지 장치(60)를 구성으로 더 가질 수 있는데 이 각도 유지장치는 본 발명에 따른 자기장 탐지 장치를 지표면에 대해 일정한 각도로 유지시켜 주는 기능을 하게 된다. 각도를 일정하게 유지하는 것은 이미 공지된 기술에 의해 쉽게 구현할 수 있으며, 이 기능을 통해서 지구 자기장이 가장 많이 포착될 수 있는 각도로 탐지 장치를 위치시켜 효과적인 탐지를 가능케 할 수 있다.

한편, 표시장치(80)는 계측장치(40)와 유/무선으로 연결되어 계측된 상황을 display할 수 있으며, 그와 더불어 전원(30)과 유/무선으로 연결되어 도선(10)에 흘릴 전류량을 자동으로 세팅하거나 변경할 수 있다.

또한 표시장치(80)는 각도 조절 장치(60)와 유/무선으로 연결되어 본 발명에 의한 자기장 탐지 장치의 지표면에 대한 각도를 조절할 수도 있다. 한편, 표시장치(80)는 본 발명에 따른 지구 자기장 탐지 장치에 부착되는 디스플레이 장치일 수도 있고 모바일 개인 통신 장치(스마트폰 등)일 수도 있다.

도 4에서는 본 발명에 의한 지구 자기장 탐지 장치를 이용해서 지구 자기장을 탐지하는 방법을 단계별로 도시하고 있다.

이미 그 방법의 단계들은 위 장치들의 설명에서 설명되었지만, 여기서 다시 한 번 설명한다.

먼저 도선(10)에 전류를 공급(45)하는 단계에서 전원(30)으로부터 도선(10)에 전류가 공급되는데 이때 공급되는 전류 크기는 미리 결정된 경우일 수도 있지만, 지구 자기장에 의해 도선(10)에 유도된 유도전류를 전원(30)이 측정(44)한 후, 그 만큼을 자동으로 공급할 수도 있다.

한편, 전기장 발생 장치(20)에 전원이 공급되어 전기장이 발생(46)하는데 이때의 전원은 전원(30)일 수도 있지만 외부 전원일 수도 있으며, DC로의 변환이 필요할 수도 있음은 명백하다.

한편, 지구 자기장 변화를 계측(48)하게 되는데 이때의 계측은 도 6 및 도 7을 설명하는내용과 같이 도선에 발생하는 힘의 측정을 통해서 이루어진다.

또한, 계측의 효율성을 위해서 지구 자기장 탐지 장치의 지표면에 대한 각도를 조절(47)할 수도 있는데, 이는 반드시 거쳐야하는 단계는 아니며 그 순서가 반드시 도 4에서와 같이 전기장 발생 단계(46)와 계측단계(48) 사이에 있어야 하는 것은 아니다.

즉, 전류 공급 단계(45), 전기장 발생 단계(46)는 자기장 변화 계측 단계(48)이전에만 수행되면 되고, 그 순서는 중요하지 않다.

한편, 유도전류 측정 단계(44)는 반드시 필요한 단계는 아니며, 각도 조절단계(47)는 계측 단계(48)나 표시 단계(49) 이전 및 이후 언제든지 가능한 단계이다.

지구 자기장을 계측(48)한 후에, 이 결과를 표시(49)하는 단계가 수행된다.

한편, 위에서 이미 설명된 바와 같이 도선(10)에 흘릴 전류를 자동으로 유도전류만큼 흘릴지 또는 미리 결정된 전류량으로 흘릴지 여부를 위한 전류 세팅(43) 단계가 수행될 수 있는데, 이 단계는 언제나 유도전류 측정 단계(44)와 함께 수행되거나 또는 수행되지 않을 뿐 단독으로 수행되지는 않으며, 그것은 유도전류 측정 단계(44)도 마찬가지이다.

한편, 각도의 세팅(42) 여부는 각도 조절 단계(48)과 함께 수행되며, 단독으로 수행되지 않는다. 단, 각도 조절 단계(48)는 각도의 세팅(42)단계가 없어도 단독으로 수행될 수 있다.

이상과 같은 본원 발명은 지구 자기장의 탐지 및 이의 변화를 감지하는 기술로서, 현재 통상의 기술자에게 자명한 사항들은 비록 본 명세서에서 기재하지 않았으나 본 발명의 권리범위에 포함되는 것은 당연하며, 권리범위의 해석시에는 본발명의 기술적 원리를 기준으로 해석하여 광의로 해석되어야 한다.

10: 도선 20: 전기장 발생기
30: 전원 40: 계측장치
50: 지탱자 60: 각도 조절장치
70: 하우징 80: 표시장치
31: 전원-도선 연결부 41: 계측장치-도선 연결부

Claims (6)

1. 지구 자기장 탐지 장치에 있어서,
   전류가 흐르는 도체로서 원형으로 구성되는 도선;
   상기 지구 자기장에 의해 도선에 유도되는 전류를 측정한 후 그 크기와 동일한 전류를 상기 도선에 흘려 유도 자기장을 발생시켜 도선 내부의 전체 자기장의 상태를 영(zero)인 정상상태가 되도록 구성되는 전원;
   상기 도선이 가운데 위치하면서, 상기 도선의 평면방향으로 전기장을 형성하도록 구성되는 전기장 발생장치; 및
   상기 도선과 연결되며, 상기 전기장 발생장치에서 발생된 일정 크기의 전기장(벡터량)과 지구 자기장의 변화값(벡터량) 및 상기 전원에 의해 도선에 흐르는 전류(벡터량)에 의해 상기 도선이 받는 힘 또는 움직임을 측정하는 계측장치를 포함하는, 지구 자기장 탐지 장치.
   
2. 제1항에 있어서
   상기 지구 자기장 탐지 장치를 밀폐하는 하우징을 더 포함하는, 지구 자기장 탐지 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 지구 자기장 탐지 장치를 지표면에 대해서 일정 각도를 유지시켜주는 각도유지장치를 더 포함하는, 지구 자기장 탐지 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 도선을 지탱하는 지탱자를 더 포함하는, 지구 자기장 탐지 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   계측된 결과를 표시하는 표시장치를 더 포함하는, 지구 자기장 탐지 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 전원은 미리 결정된 크기의 전류를 상기 도선으로 공급하거나, 또는 상기 도선에 흐르는 유도 전류의 크기를 측정한 후 그만큼의 전류를 상기 도선으로 흘려보낼 수 있는 기능을 더 포함하는 것인, 지구 자기장 탐지 장치.
   

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