KR20140088272A - 자석을 활용한 에너지 - Google Patents

Abstract

영구자석이 자장과 수직할 때, 즉 N극과 S극을 연결하는 두개의 영구자석의 자축이 일직선 상에 위치하고 있을 때는 퍼텐셜에너지는 0이나, 일정한 각도(θ)를 가질 때는 그에 따른 일정한 퍼텐셜에너지를 갖게되며 자석과 자장이 평행할 때, 즉 두개의 영구자석의 자극면이 직각으로 형성될 때 그 퍼텐셜 에너지(정자기 에너지)는 최대가 된다는 사실을 활용하여 직선운동과 회전운동을 시킬 수 방법으로 부터 에너지를 얻을 수 있는바, 두 개 이상의 영구자석으로 이루어진 자기장 내에서 자기모멘트로 부터 자석 상호간에 교차하는 힘을 연속적으로 생성하여 이로 부터 회전운동 에너지를 얻고자 함.

Description

자석을 활용한 에너지 { Energy by Utilization of Magnet }

본 발명은 자석의 힘(자기력)을 활용하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 자성체라 하는 것은 자기를 고체내에 발생시킨 것을 말하며, 이러한 물질에 강한 자장을 걸어 개개의 자성체의 자기방향을 동일 방향으로 정열시켜 자기 방향이 원상태로 회복하기 어렵게 착자화한 고체를 영구자석이라 칭한다.

두 개의 영구자석 상호간에 같은 극성의 자극은 서로 반발하고, 반대극성의 자극은 서로 흡인력이 작용하는 데 이를 자기력이라 하며, 자석이나 전류 또는 시간에 따라 변화하는 전기장에 의해 그 주위에 자기력이 작용하는 공간을 만드는 데 그 공간을 자기장이라고 하며, 자기장은 운동하는 전하에 영향을 미치며, 운동하는 전하는 자기장을 발생시킬 수 있으며 자기력선(자력선) 으로 표현한다.

자기장은 크기와 방향을 갖는 벡터량으로 그 크기는 자기장H(자계강도) 또는 자기장B(자속밀도)로 나타낸다. 자기장 H는 자기장이 있는 공간의 자기적 특성을 생각하지 않는 양이며, 자기장 B는 자기적 특성을 생각한 양으로 자기력을 계산할 때 직접 사용되는 양이다. 자기장 H와 자기장 B는 B=μH의 관계가 있다. μ는 자기장이 놓여진 공간의 자기적 특성인 자기투자율이다.

전기력선의 양 끝에 전하가 있듯이 자력선에도 자하가 있으며 이 자하는 항상 N극과 S극이 같은 양으로 존재하며, 자력선은 N극에서 S극으로 향하는 방향을 정방향으로 정의한다.

두 개 이상의 영구자석으로 이루어진 자기장 내에서 자기모멘트로 부터 자석 상호간에 교차하는 힘을 연속적으로 생성하여 이로 부터 에너지를 얻고자 한다.

자석이 자장과 수직할 때, 즉 N극과 S극을 연결하는 두개의 영구자석의 자축이 일직선 상에 위치하고 있을 때는 퍼텐셜에너지는 0이나, 일정한 각도(θ)를 가질 때는 그에 따른 일정한 퍼텐셜에너지를 갖게되며 자석과 자장이 평행할 때, 즉 N극과 S극으로 칭하는 두개의 영구자석의 자극면이 직각으로 형성될 때 그 퍼텐셜 에너지(정자기 에너지)는 최대가 된다는 사실을 활용하여 직선운동과 회전운동을 발생시킬 수 있다.

자석을 활용한 회전운동으로 부터 에너지를 얻고자 한다.

도1은 막대형 영구자석의 자력선도
도2는 영구자석에서 같은 극사이의 자력선도
도3은 영구자석에서 다른 극사이의 자력선도
도4는 자기장 속의 막대형 영구자석 배치도
도5는 자석의 입체적 공간 배치도
도6은 영구자석의 직선운동 설명도
도7은 영구자석의 다른 직선운동 설명도
도8은 영구자석의 착자방향도
도9-1은 한 실시예의 투시도
도9-2는 한 실시예의 평면도
도10은 다른 실시예의 투시도
도11-1은 제2 실시예의 투시도
도11-2는 제2 실시예의 평면도
도12는 또 다른 실시예의 투시도

본 발명에 따른 자석의 활용에 대한 바람직한 구체적 실시 예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도1은 한개의 영구자석에서 양단은 N극과 S극의 양극이 쌍으로 나타나며 그 양단은 자성체에 미치는 힘이 강하고, 반면 중앙부는 자력이 거의 없는 것으로 관찰되는 자력선이라는 가상선을 보여준다.

도2는 두개의 영구자석에서 같은 자극이 마주 볼 경우 자극의 축방향과 자력선이 수직이 되여 두자극간에는 서로 반발력이 자력선 접선의 직각 방향으로 작용한다는 것을 보여주고, 도3은 서로 다른 자극이 마주 볼 경우는 자극의 축방향과 자력선이 평행하게 되어 두 자극간에는 서로 당기는 힘(인력)이 자력선의 직각 방향으로 작용한다는 것을 보여준다.

도2와 도3은 N극과 S극을 연결하는 자석의 축이 일직선 상에 위치하고 있으며 이에 따라 자기모멘트의 퍼텐셜 에너지(potential energy)가 발생하지 않는다는 것이 정설이다. 자기모멘트(magnetic moment)란 외부자장에 대해 반응하는 자성체의 자기능률을 가리키는 것으로, 자성체의 길이가

이고 양단의 자극의 세기를 각각

와

라고 할 때,

로부터

로 향하는 방향을 가지고 길이가

인 벡터를

이라고 하면 자기모멘트

은

로 정의된다.

도4와 같이 자극의 세기가

, 길이가

인 막대 자석이 자장

와

의 각도를 이루고 있는 경우,

가 균일한 자장이라고 한다면 이 자석에는 회전모멘트가 발생하며 그 크기는 다음과 같이 주어진다.

이 식에서

즉 자극의 세기와 길이의 곱은 그 자성체가 가지는 고유의 물리량(즉 물체의 고유 특성)으로, 자장에 대한 회전모멘트의 크기를 결정하는 가장 기본적인 인자가 되는 바 이것이 식 (식 1)로 정의 된 자기모멘트이다. 그런데 여기서 유의해야 할 것은 내부자장과 자기모멘트의 방향관계이다. 즉 자극이 만드는 자장

의 방향은 N극(+극)에서 S극(-극)으로 향하는데, 자기모멘트

은 길이

의 방향 즉 S극에서 N극 쪽으로 취하므로 서로 반대방향이 된다.

자석이 자장 방향에 대해 기울어져 있으면 평행할 때와 비교하여 더 큰 위치 에너지를 가진다. 만약 자장 내에서 자장과 평행하지 않은 임의의 방향으로 자석을 두면 위치 에너지가 낮아지는 방향으로 회전하게 된다. 이 때 자장에 대해 막대 자석을

만큼 기울이는데 소요되는 일은

가 되며,

일 때의 에너지를 기준으로 하여 자장

가 한 전체 일은

가 된다.

이 식으로부터

은 자석이 자장과 평행할 때는

이고,

로 수직할 때

이며, 그리고 반평행할 때는

의 값을 가지게 되는 바, 이것을 외부자장

중에 있는 자기모멘트

의 퍼텐셜 에너지(정자기 에너지)로서 제만 에너지(Zeeman energy)라고도 한다.

상기 설명에서 자석이 자장과 수직할 때, 즉 N극과 S극을 연결하는 두개의 영구자석의 자축이 일직선 상에 위치하고 있을 때는 제만에너지는 0이나, 일정한 각도(θ)를 가질 때는 그에 따른 일정한 퍼텐셜에너지를 갖게되며 자석과 자장이 평행할 때, 즉 N극과 S극을 연결하는 두개의 영구자석의 자축이 직각으로 형성될 때 그 퍼텐셜 에너지(정자기 에너지)는 최대가 된다는 것을 알 수 있다.

도5의 영구자석에서 N극과 S극 각개극에서 자성이 가장 강한 점을 자극점이라 하며, 이 자극점을 자석의 길이 방향으로 같은 자극점 끼리 연결한 선을 자극선(N자극선, S자극선)이라 칭하고, N자극선과 S자극선 각각을 연결한 평면을 자극면(N자극면, S자극면)이라 칭하며, N자극선과 S자극선 각각의 중심점을 연결한 축을 자축이라고 칭한다.

도5에서 x, y, z축으로 구성된 입체적 공간에서 한개의 길이가 긴 형상의 가동 영구자석(10)과 또 다른 한개의 조그마한 형상의 고정 영구자석(20)을 두개의 영구자석의 자극면이 운동이 필요한 방향(x축 방향)에 대하여 직교하게 설치하고, 이 영구자석(10, 20) y축과 z축 방향의 움직임은 각각 제어하고, x축 방향 만을 자유롭게 하면 두 개의 영구자석 사이에는 x축방향으로 서로 교차하는 힘을 발생시킨다. 이 때에 긴 형상의 영구자석(10)의 윗쪽과 또 다른 한개의 조그마한 형상의 고정 영구자석(20)의 우측을 도5에서와 같이 N극으로 하여 설치하면 길이가 긴 형상의 가동 영구자석(10)은 좌측으로 힘을 받고, 또 다른 한개의 조그마한 형상의 고정 영구자석(20)은 우측으로 힘을 받게 된다.

도6은 도5에서 설명한 원리를 확인하기 위한 간단한 실험장치 한 예의 단면도로서, 한개의 길이가 긴 형상의 가동 영구자석(10)의 윗쪽은 N극으로 하고 그 아랫쪽은 S극으로 하여 상하운동과 전후운동을 제어하고 수평운동이 자유로운 롤러(11, 12)사이에 착설한 후에 그 윗쪽에 근접되게 또 다른 한개의 조그마한 형상의 고정 영구자석(20)을 고정장치(21, 22)로 고정하면 길이가 긴 형상의 가동 영구자석(10)이 좌측으로 이동하여 운동하는 것이 발견되는 바, 이로 부터 도5의 원리가 가능함을 확실하게 확인할 수 있다.

도7에서는 두개의 영구자석 사이가 비자성체(30) 또는 공간이 되도록 연결하여 도6과 같은 방법으로 가동 영구자석(10)을 착설하고, 그 윗쪽에 고정 영구자석(20)을 고정하면 가동 영구자석(10)은 우측으로 운동하는 현상을 확인 시켜준다.

영구자석의 착자를 시도하려면 그 재료의 항자력의 5배 이상의 자화력이 필요한 것이 일반적 이며, 착자방법에는 도8에서와 같이 일반적인 착자방법인 두께방향착자(71), 축방향착자(72) 등과 특수한 경우의 착자방법인 원형 링에서의 내외경 1극착자(77), 내경다극착자(79), 원호 래디얼착자(80), 원호 축방향착자(81)등 여러가지 방법이 있는 바, 본 발명의 실시예에서는 원형 링 형태의 내경다극착자 영구자석의 이용을 포함한 경우에 대하여 상술 하고자 한다. 내경다극착자 영구자석은 제작은 원형 링 형태로 할 수도 있으나 원호 형태의 래디얼착자(80)된 영구자석 여러개를 원형 링 형태로 맞부쳐서 만들 수도 있고 두께방향착자(71)된 여러개의 막대형 영구자석을 맞부친 다각형 형태의 영구자석으로도 그 기능을 대신 할 수 있는바, 본 발명에서는 상기한 형태의 자석중 모든 자극의 길이가 같도록 조합한 형태의 자석을 내경다극착자된 주동자석이라고 칭하기로 한다.

도9-1, 도9-2에서는 내경다극착자 영구자석과 베벨기어를 이용한 실시예를 설명하고자 하는 도면인데, 상기한 주동자석(100)의 중심부분(101)을 비자성체로 채우고, 그 중심축(110)의 일단에 축방향이 90°전환가능하도록 베벨기어(120, 130)를 착설하고, 맞 물린 베벨기어(130)의 중심축(150)과 그에 평행하도록 또 다른 중심축(210)에 평기어(230, 220)를 각각 착설하되, 최초의 베벨기어(120)와 마지막 평기어(220)의 총 회전비율은 주동자석(100)의 자극수(n)와 일치한 배율(n배)로 증가시키도록 착설하고, 마지막 평기어(220)의 중심축(210)의 일단에(주동자석(100)과 마주 보는 방향 끝에) 두께방향 착자(71)된 막대형 형태의 피동자석(200)을 착설함에 있어 도5의 원리와 맞게 주동자석(100)의 일정 자극면의 중심점에 피동자석(200)의 자극면이 직교하도록 착설하면, 주동자석(100)은 한 방향으로 360/n ° 회전하게되고 그 중심축(110)과 연결된 베벨기어(120, 130)와 평기어(230, 220)의 회전배율(n배)에 따라 피동자석(200)은 360°(1회전)회전하게 되여, 회전운동은 연속적으로 한 방향으로 발생하게 된다. 본 실시예에서는 8극착자된 주동자석(100)의 중심축(110)이 1회전 할 때에 베벨기어(120, 130)와 평기어(220, 230)를 이용하여 피동자석(200)의 중심축(210)이 8회전하도록 하여 연속회전 운동을 하게 한 것이다.

도10은 주동자석과 근접한 피동자석(200)의 회전에 대한 저항력이 매우 적음을 감안하여 피동자석(200)에 연결된 중심축(210)에 별도의 동력발생장치(500)를 연결하고 회전주기를 조절하여 주동자석(100)을 연속적으로 회전하게 하여 에너지를 얻는 방법에 관한 것이다.

도11-1, 도11-2에서는 내경다극착자 영구자석과 웜기어를 이용한 다른 실시예를 설명하고자 하는 도면인데, 상호간에 직각으로 교차하지 않는 2축간에 큰 감속비의 회전을 전동하는 데 사용되는 기어 장치인 웜기어(300, 310)중 웜(300)의 중심축(180)에 연결되어 감속하는 평기어(170, 160)의 다른 중심축(110)에 고정되어 회전하는 주동자석(100)과 웜휠(310)의 중심축(320)에 연결하여 가속하는 평기어(330, 340)의 다른 중심축(350)에 고정되어 회전하는 피동자석(400)의 자극면이 직교하도록 착설하면 도5의 원리에 따라 연속하여 한 방향으로 회전하게 된다. 본 실시예에서는 8극착자된 주동자석(100)의 중심축(110)이 1회전 할 때에 웜기어(300, 310)와 평기어(160, 170, 330, 340)를 이용하여 4개 피동자석(401,402, 403, 404)의 중심축(350)을 2회전 하도록 하고, 홀수번호(401, 403)와 짝수번호(402, 404) 피동자석의 자극방향을 반대로 하여 연속적으로 회전 하도록 한 것을 보여준다.

도12는 주동자석(100)과 근접한 피동자석(401, 402, 403, 404)의 회전에 대한 저항력이 매우 적음을 감안하여 피동자석에 연결된 중심축(350)에 별도의 동력발생장치(500)를 연결하고 회전주기를 조절하여 주동자석(100)을 연속적으로 회전하게 한 방법에 관한 것이다.

이상에서 본 발명의 자기장의 활용 방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 간단하고 양호한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

10 : 가동 영구자석, 11 : 하부롤러, 12 : 상부롤러
20, 30 : 고정 영구자석, 21, 22, : 고정장치 40 : 비자성체
71 : 두께방향착자, 72 : 축방향착자, 73 : 축방향다극착자
74 : 표면다극착자, 75 : 외경다극착자, 76 : 표면다극착자
77 : 내경 Radial 착자 = 내외경1극착자. 78 : 반경좌우착자
79 : 내경다극착자, 80 : 원호 래디얼착자, 81 : 원호 축방향착자
100 : 내경다극착자형 주동자석, 101 : 비자성체 바퀴
110, 150, 210, 180, 320, 350 : 중심축, 120, 130 : 베벨기어
220, 230, 160, 170, 330, 340 : 평기어
300 : 웜 310 : 웜휠
200, 401, 402, 403, 404 : 두께방향착자형 피동자석
201 : 피동자석 고정덮개, 400 : 피동자석 고정바퀴
500 : 동력발생장치, 600 : 동력을 필요로 하는 장치

Claims (6)

1. 도6과 같이 두 개 이상의 영구자석(10, 20)을 각개 자석의 N극과 S극으로 칭하는 자극면(N자극면, S자극면)이 영구자석 상호간에 필요한 일정각도( 90°≥ θ > 0°)가 되도록 착설하여, 개개의 영구자석의 상호간(10과 20사이)에 엇갈리게 교차하여 발생하는 힘을 활용하는 것을 특징으로하여 에너지를 얻는 방법.
2. 청구항1에 있어서 도7과 같이 두개의 영구자석(10, 30) 사이가 비자성체(40) 또는 공간이 되도록 연결하여 비자성체 위의 자석(20)과 상호간에 필요한 일정각도( 90°≥ θ > 0°)가 되도록 착설하여, 개개의 영구자석의 상호간(10,30과 20사이)에 엇갈리게 교차하여 발생하는 힘을 활용하는 것을 특징으로하여 에너지를 얻는 방법.
3. 청구항1에 있어서 도9-1, 9-2와 같이 내경다극착자형 주동자석(100)과 두께방향착자형 피동자석(200)의 자극면이 상호간에 필요한 일정각도( 90°≥ θ > 0°)가 되도록 착설함에 있어, 베벨기어(120, 130)와 평기어(220, 230)로 축방향과 회전배율을 변환시켜 주동자석과 피동자석의 상호간(100과 200사이)에 엇갈리게 교차하여 발생하는 힘을 활용하여 회전운동 하는 것을 특징으로하여 에너지를 얻는 장치.
4. 청구항3에 있어서 도10과 같이 내경다극착자형 주동자석과 근접한 피동자석(200)에 연결된 중심축(210)에 별도의 동력발생장치(500)를 연결하여 주동자석(100)이 회전운동하게 하는 것을 특징으로하여 에너지를 얻는 장치.
5. 청구항1에 있어서 도11-1, 11-2과 같이 내경다극착자형 주동자석(100)과 두께방향착자형 피동자석(401, 402, 403, 404)의 자극면이 상호간에 필요한 일정각도( 90°≥ θ > 0°)가 되도록 착설함에 있어, 웜기어(300, 310)와 평기어(160, 170, 330, 340)로 축방향과 회전배율을 변환시켜 주동자석과 피동자석의 상호간(100과 401, 402, 403, 404사이)에 엇갈리게 교차하여 발생하는 힘을 활용하여 회전운동하는 것을 특징으로하여 에너지를 얻는 장치.
6. 청구항5에 있어서 도12와 같이 내경다극착자형 주동자석(100)과 근접한 피동자석(401, 402, 403, 404)에 연결된 중심축(350)에 별도의 동력발생장치(500)를 연결하여 주동자석(100)이 회전운동하게 하는 것을 특징으로하여 에너지를 얻는 장치.

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