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플레밍의 법칙

예비Report제목 : 플레밍의 법칙1.실험목적도선에 전류가 흐르면 도선주위에 자기장이 생기고 전류가 흐르는 도선주위에 가벼운 자석 혹은 자침을 놓으면 힘은 받아 움직이게 된다. 그리고 전류가 흐르는 도선도 역시 자기장으로부터 힘을 받는다. 도선에 작용하는 힘의 방향은 전류의 방향에 따라 달라지고, 전류의 세기가 달라지면 움직이는 정도도 달라진다. 이와 같이 자기장으로부터 전류가 흐르는 도선이 받는 힘을 전자기력이라고 한다. 실험을 통하여 전류와 자기장, 힘의 방향과 크기를 측정해 플레밍의 법칙을 확인한다.2.이론*플레밍의 왼손법칙 : 왼손의 엄지손가락, 둘째손가락, 셋째손가락을 서로 수직하게 폈을 때, 둘째손가락을 자기장, 셋째손가락을 전류의 방향으로 하면 엄지손가락이 가리키는 방향이 힘의 방향이 된다.*자기장에서 전류가 받는 힘F(N)는 자기장B(I)와 전류의 세기I(A)에 비례하고 자기장속에 들어있는 도선의 길이 l(m)에 비례한다.*자기장내에 있는 도선에 작용하는 힘은 전류의 방향이 자기장의 방향과 수직일 때에 최대로 되고, 나란하면 0이 된다.3.실험방법*강력한 자석을 스탠드에 고정시키고 코일을 금속봉에서 늘어뜨린다. 코일에 전원 장치를 연결한다.①자기장의 방향은 변화시키지 말고 전류의 방향을 변화시켜가면서 코일이 받는 힘의 방향을 조사한다.②전류의 방향은 그대로 두고 자기장의 방향을 바꿔가며 코일이 받는 힘의 방향을 조사한다.③전류의 세기와 자기장의 세기를 변화시키면서 코일이 받는 힘의 크기를 조사하여 힘과 자기장의 세기, 전류의 세기와의 관계를 조사한다.*서로 극이 다른 자석을 마주놓고 사이에 도선을 놓는다. 도선의 길이를 변화시키며 도선이 받는 힘을 측정하여 힘과 도선의 길이와의 관계를 조사한다.*강력한 자석을 스탠드에 고정시키고 코일을 금속봉에서 늘어 뜨려 2대를 접속시켜 한쪽을 흔들어서 코일이 자계를 통과할 때 전류가 흐르는 것과 다른 쪽 코일의 전류가 자계로부터 받은 힘에 흔들리는 것을 조사하여 플레밍의 법칙을 이해한다.결과Report제목 : 플레밍의 법칙1.자료2.결론 및 논의① 위와 같은 실험 장치를 설치하여 자기장내에서 조선에 전류가 흐를 때 도선이 받는 힘의 방향은 플레밍의 왼손법칙에 따라 서로 수직으로 나타난다는 것을 확인 할 수 있었다.

공학/기술| 2012.11.18| 2페이지| 1,000원| 조회(273)

플레밍, 플레밍의 법칙, 플레밍 법칙

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TIG아크에 의한 용융지 형상

TIG아크에 의한 용융지 형상□ 용융지 형상의 변화- 극성에 따른 변화1. 직류정극성(DCEN) : 용접봉을 음극에, 모재를 양극에 연결한 상태. 전자가 전극에서 모재로 흘러 모재에 강하게 충돌하므로 용입이 깊고 비드폭이 좁은 용융지가 형성된다.2. 직류역극성(DCEP) : 용접봉을 양극에, 모재를 음극에 연결한 상태. 용접봉에 전자의 충돌이 더 세게 일어나고, 모재표면에는 가스이온들이 넓게 충돌하므로 비드폭은 넓고 용입은 얕은 용융지가 형성된다.3. 교류 : 직류정극성과 직류역극성의 중간정도의 용입과 비드폭의 용융지가 형성된다.- 용접전류에 따른 변화-> 전류를 증가시키면 모재에 유입되는 아크열이 그만큼 증가하게 된다. 따라서 용접전류가 증가할수록 용착 속도, 용입 깊이가 증가하게 되어 능률측면에서는 전류가 높을수록 좋다. 그러나 전류가 너무 높을 경우에는 스패터가 심하게 발생하고, 슬래그 제거가 어려워지며, 볼록한 비드를 형성하여 용접부의 외관이 좋지 못한 결과를 초래할 수 있다. 이처럼 전류가 높을수록 능률은 좋으나 용융지의 컨트롤이 어려워져서 불량발생 확률이 커지므로 적절한 전류의 사용이 필요하다.- 아크전압에 따른 변화-> 아크전압은 전극 끝단과 모재간의 전압으로서 아크길이와 비례한다. 용융지 형상은 이 아크길이에 따라 많이 달라지는데, 아크길이가 짧아질수록 용입은 깊어지고 비드폭은 좁아지게 된다. 아크길이가 짧아질수록 빛과 열로 손실되는 열이 감소하여 아크효율이 증가하고 아크폭이 좁아지므로 비드폭이 좁아지고 좁은 통전면에 의해 전류밀도가 증가하여 깊은 용입을 가지게 되는 것이다. 그렇다고 해서 전압이 너무 낮아버리면 비드폭이 좁고 위로 볼록튀어나오게 되고, overlap현상이 발생하게 된다. 반대로 전압이 너무 높을 경우에는 스패터나 기공, 언더컷의 발생이 일어나게 된다.아크길이=15mm아크길이=25mm아크길이=25mm□ 용융지내의 유동변화-> 용융지 형상은 용융지 내의 온도 구배에 의해 발생되는 부력의 영향도 받게 된다. 용접 시 열전달 표면근처에서 유체의 밀도가 감소하게되어 유체에 미치는 부력에 의해 유동이 발생하게 된다. 부력은 체적력으로 작용하여 전체적인 유동 형태에는 영향을 끼치지만 효과는 다른 영향에 비해 무시될 정도로 매우 작다. 그리고 부력에 의한 용융지 형상은 전도만 고려된 용융지 유동모델과 거의 흡사하다.- 표면장력의 영향-> 용융지 중심의 온도가 주위보다 높아지면 용융지 중심의 표면장력이 낮아지며, 그로인해 용융지 표면에서의 유동이 중심부로부터 바깥으로 향하게 된다. 그러면 용융폭은 증가하지만 용입은 감소하여 얕고 넓은 용융지가 형성되게 된다. 그러나 모재가 황등의 성분을 많이 포함하면 온도에 따른 표면장력의 기울기가 변화하여 용융지 표면에서의 유동이 아크 중심을 향하게되므로 용융폭은 감소하고 용입은 증가하여 좁고 깊은 용융지가 형성된다.

공학/기술| 2012.11.18| 4페이지| 1,500원| 조회(455)

아크, TIG, TIG아크 용융지 형상, 용융지 형상

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TIG용접에 대하여

□ TIG(GTA)용접이란?-> TIG(Tungsten Inert Gas), GTA(Gas Tungsten Arc)의 약자.피복아크용접이 많은 철금속의 용접에 효과적이기는 하지만 알루미늄, 마그네슘이나 다른 반응성이 큰 금속의 용접에는 부적당하다. 이를 위해 1930년대에 아크환경을 수소나 산소의 침입으로부터 보호하기 위하여 고온에서 금속과 반응하지 않는 불활성가스를 공급하여 용접하는 방법이 도입되기 시작했다. GTA용접은 텅스텐 전극을 사용하여 발생한 아크열로 모재를 용융하여 접합하며, 용접중 산화, 질화를 막기 위해 Ar가스로 용접부를 보호하는 용접이다. 보호가스로는 주로 불활성 가스인 Ar, He등을 사용하기 때문에 TIG용접이라고도 부른다. 생산성은 떨어지나 아트가 안정되고 용접부 품질이 우수하므로 산화나 질화에 민감한 재질의 용접에 사용된다.□아크(Arc)란?-> 용접봉과 모재사이에 전압을 걸고 용접봉 끝부분을 모재에 살짝 접촉시켰다가 떼는 순간에 불꽃이 방전에 의해 원호(Arc)모양의 청백색의 강한 빛을 내는 부분이 아크이다. 아크방전이 일어나면 전극이 전자의 충돌에너지에 의해서 세차게 가열되어 전극이 용융상태가 되기 때문에 이러한 전극의 용융현상을 이용해서 용접이 이루어진다.아크 중심부 주위의 백열부분은 금속 아크인 경우 3,000℃이고, 탄소 아크인 경우 4,000℃정도이다. 그리고 중심부 주위의 청색부분을 arc stream, 황색부분을 arc flame이라 한다. 아크의 중심부에 있는 지름이 작고 백색에 가까운 아주 밝은 부분을 아크중심이라 하며, 이 부분의 길이를 아크길이, 중심부위를 둘러싼 담홍색부분을 아크기둥이라고 하고, 그 외부를 둘러싼 불꽃을 아크불꽃이라 한다.아크를 발생시킬 때 중요한 것은 아크 길이인데, 아크가 발생될 때 모재에서 용접봉까지의 거리를 말하며 아크전압과 밀접한 관계가 있으며 아크 용접에서 아크 길이를 일정하게 유지하는 것이 매우 중요하다. 예를 들어, 아크길이가 알맞지 않으면 용입이 불량하게 될 뿐만 아니라 외기의 영향을 받아 용착 금속의 성질이 불량하게 된다. 아크 길이가 길면, 아크가 불안정하여 용입이 나빠지거나 산소나 질소가 침투하여 재질을 약화시킬 뿐만 아니라 기공이나 균열의 원인이 되며, 아크 길이가 짧으면 아크의 지속이 어렵고 발생열도 작아 용입 불량의 원인이 된다. 아크 길이는 용접 결과에 큰 영향을 미치므로, 아크 길이를 알맞게 유지하는 것이 무엇보다 중요하다. 아크 길이를 항상 일정하게 유지하려면, 아크를 용접선 위를 따라 나가는 동시에, 용접봉이 녹아 짧아진 만큼 모재 쪽으로 보내야한다. 이 두 가지 동작은 동시에 일정한 속도로 행해지는 관계로 아크를 일정하게 유지하는 것은 쉽지 않다. 아크길이가 알맞으면 소리가 규칙적이며, 아크 길이가 알맞지 않으면 그 소리 또한 불규칙하게 난다.기본적인 아크 용접은 아크를 통하여 강한 전류가 흐르며 이 강한 전류가 금속증기나 그 주위의 각종 기체분자를 해리하여 양이온과 전자로 해리시켜 양이온은 음극으로 전자는 양극으로 끌려가게 된다. 이 아크의 전류는 강한 열을 발생시키고 이 열에 의해 용접봉은 녹아서 금속증기 또는 용적이 되며, 동시에 모재도 녹아서 용융지를 형성한다. 용접봉의 금속증기 또는 용적이 용융지에 흡착되어 모재의 일부와 융합하여 용접금속을 형성한다.□ GTA용접전원과 극성-> 기본적인 아크용접에서는 모재와 용접봉이 각각 전극의 역할을 하게 되는데 모재와 용접봉중 어느 것이 각각 양극 또는 음극이 되는가와 모재와 용접봉의 성질에 따라 용접의 성능이 달라지게 된다. 아크용접에 있어서 직류전원을 사용한 경우를 직류용접이라 하고 교류전원을 사용한 경우를 교류용접이라 한다.아크를 발생시키는 전원은 직류와 교류를 다 사용할 수 있다. 직류인 경우 양극에 발생하는 열량이 음극에 발생하는 열량보다 훨씬 많다. 그 이유는 전자가 음극에서 양극으로 흐르기 때문에 전자의 충격을 받는 양극에서 발열량이 많다. 따라서 용접봉을 연결할 때 전원을 고려해야 한다. 그러나 교류인 경우 양극과 음극이 주파수에 의해 바뀌므로 발생하는 열량은 각 극에서 거의 비슷하다.- 직류용접(DC Arc Welding)?직류 정극성(Direct Current Straight Polarity, DCSP) : 용접봉을 음극에, 모재를 양극에 연결한 경우이다. 용접봉의 용융이 늦고 모재의 용입이 깊고 비드폭이 좁아진다. 정극성에서는 전자가 전극에서 모재로 흐르므로 모재에 강하게 충돌하여 깊은 용입을 일으킨다. 전극은 속도가 느린 가스 이온과 충돌하므로 그다지 발열하지 않으며 지름이 작은 전극에서도 큰 전류를 사용할 수 있다.?직류 역극성(Direct Current Reverse Polarity, DCRP) : 용접봉을 양극에 모재를 음극에 연결한 경우이다. 용접봉이 전자의 충격이 더 세므로 용접봉의 용융속도가 빠르고 모재의 용입이 얕아지게 된다. 용접봉에 발생열이 많기 때문에 용접봉 끝이 녹아 내릴 염려가 있고 같은 전류에서 정극성보다 4배 정도 사이즈가 큰 용접봉을 사용한다. 역극성에서는 전자가 전극으로 흐르고 가스이온이 모재표면에 넓게 충돌하여 모재의 용입은 넓고 얕게 된다. 그리고 보호가스로 아르곤을 사용할 경우 청정작용이 일어난다.- 교류용접(AC Arc Welding)직류 정극성과 역극성의 중간 정도의 용입과 비드폭이 형성되며 아크가 불안정하므로 고주파 발생 장치의 부착이 필요하다. 고주파 교류 전원을 사용할 경우, 전극을 모재에 접촉시키지 않아도 아크가 발생하여 용착금속의 오염을 방지할 수 있다. 그리고 일정한 간격을 유지하여 아크를 발생하기 때문에 전극봉의 수명을 연장 할 수 있으며 동일한 사이즈의 전극봉으로 사용할 수 있는 전류범위가 크다. 또한 낮은 전류의 용접이 용이하며 전극봉이 많은 열을 받지 않는 장점이 있다.

공학/기술| 2011.11.05| 4페이지| 1,000원| 조회(833)

용접, 극성, 아크, TIG, Arc, 보호가스

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플라즈마의 종류와 가공기술

1. 플라즈마의 종류- 고온플라즈마 : 전자, 이온, 분자의 온도가 모두 높은 플라즈마를 고온플라즈마라 한다. 직류 아크나 고주파 유도결합 방전을 이용하는 플라즈마 토치에서 발생시킨 전자, 이온, 원자와 분자로 구성된 이온화 기체로, 수천에서 수만에 이르는 초고온과 높은 열용량을 가진 고속 제트 불꽃형태를 띠고 있다. 이러한 초고온, 대열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는 플라즈마의 특성을 이용하여 다양하고 효율적이며 환경면에서 깨끗한 초고온 열원이나 물리화학 반응으로 사용된다.- 저온플라즈마 : 기체의 온도는 낮고 전자의 온도가 높은(수만K) 비평형상태에 있는 플라즈마의 총칭이다. 공기 중에서 고압의 전기방전을 행하면 방전에 의해 발생된 전자가 일반가스의 분자와 충돌하여 가스분자의 외곽 전자상태가 변한다. 이에 따라 반응성이 풍부한 화학적 활성종인 라디칼, 여기분자, 이온 등은 양 또는 음으로 하전되어 전기적으로 중성상태의 가스가 되는데 이를 저온 플라즈마라 한다. 저온 플라즈마는 금속이나 고분자의 표면 개질, 박판작성 등에 응용된다.- 상압플라즈마 : 플라즈마는 일반적으로 진공에서만 생성시킬 수 있는 것으로 알려져 있으나, Glow 방전과 ARC 방전과 같은 방법으로 대기압 플라즈마가 연구되기 시작하였다. 이 중에서도 Glow방전은 전극의 양단에 약 수천 ～ 수만 Volt 이상의 전압을 인가하여 플라즈마 내의 양이온과 음극과 충돌하여 발생되고, 이때 발생된 2차 전자가 외부에서 인가한 Electric Field에 의해 플라즈마로 가속되어 가면서 Neutral Gas를 이온화시키고 이때 생성된 전자가 다시 Neutral Gas를 이온화 시키는 과정이 반복되는 전자사태(Avalanche)를 일으켜 전극 양단간에 전류가 흐르게 되는 현상을 말한다. 생산성이 높고, 가격이 저렴하며 다양하고 큰 소재의 처리가 가능하다. 단, 플라즈마의 밀도가 낮다는 단점이 있다.2.MHD 발전- 정의 : 자기유체역학발전(magneto hydrodynamics generation)HD발전은 약 2,700의 플라즈마를 1,000m/s 정도의 고속으로 자기장 사이를 수직으로 통과시켜 발전하는 원리이다. 이 원리는 도체가 자기장을 가로지를 때 전압이 유도된다는 페러데이 유도법칙(변하는 자기장과 이로 인해 생기는 전기장 사이의 양을 결정하는 관계 법칙)을 응용한 것이다. 고온플라즈마를 강력한 자장 속에서 고속으로 통과시킴으로써 전력을 일으켜 연소가스 에너지로부터 직접 전기에너지를 얻는 직접 발전방식으로 화력발전의 전 단계에 MHD발전을 설치해 두 발전기를 같이 동작시키면 화력발전만 동작시켰을 경우 40%정도의 효율을 내는데 비해 50~60%로 끌어올릴 수 있다.- 기본원리 : 유체가 자기력선을 가로지르는 방향으로 운동하면 전류가 흘러 새로운 자기장이 발생하고, 또 자기장 속에 전류가 흐르면 유체에 힘이 작용하여 운동상태를 바꾸게 된다. 자기유체역학발전은 플라즈마의 흐름을 얻을 수 있으면 발전이 가능하기 때문에 에너지원은 어떤 것이든 관계가 없다. 따라서, 석유, 석탄, 천연가스, 핵연료 등 폭넓은 에너지 자원을 활용할 수 있다. 그래서 석유보다 자원이 넉넉한 천연가스나 석탄의 연소가스를 이용할 수 있다. 더욱이 석탄을 이용하는 화력발전보다 공해물질인 질산산화물 또는 황산화물의 배출량이 적다. 또 석탄 속에서 타지 않는 회분이 많아 연소가스 속에서 액상과 고체 모양의 슬러그가 되어 고온의 가스 터빈에는 적용할 수 없지만 가동부가 없는 자기유체역학발전에서는 이런 것을 내포한 연소 가스도 이용할 수 있다. 자기유체역학발전에서는 기계적인 회전부분이 없기 때문에 사용하는 기체나 액체의 온도를 매우 높게 끌어올릴 수 있으며 플라즈마의 흐름으로부터 직접 전류를 발생시킨다. 바로 이런 것이 자기유체역학발전의 큰 장점이기도 하다. 그러나 전자기유체역학발전이 안고 있는 문제도 적지 않다. 먼저 발전 채널부분에는 2,000이상의 고온가스가 통과하기 때문에 고온에 견딜 수 있는 재료가 개발되어야 한다. 그리고 발전효율을 올리기 위해서는 전자석 부분에 전력소모가 적을 사용해야 한다. 안정된 작동을 할 수 있는 대형의 초전도전자석의 개발을 포함하여 실용화에 앞서 해결해야할 과제들이 많다.- 플라즈마 밀폐장치 : MHD발전에서 주로 사용되는 것이 플라즈마인데, 그 플라즈마를 저장하는 법 또한 중요하다. 플라즈마 밀폐방식은 주로 자기장을 이용한 자장밀폐방법이 주로 연구되어지고, 이 외에도 금속용기 중심에 고체상의 연료로 필렛이라 불리우는 1-2mm의 작은 공을 만들어 위치시키고 여기에 거대한 출력을 갖는 레이져빔을 작용하는 방법이 있다. 이 경우 필렛은 순간적으로 초고온, 고밀도의 플라즈마로 되어 표면부터 팽창하기 시작하는데, 플라즈마가 완전히 팽창, 확산하기 전의 아주 짧은 시간 안에 핵융합반응이 일어나도록 한다. 이를 관성밀폐방식이라고 한다.자장밀폐방식(Magnetic Confinement)=> 자기장을 이용한 플라즈마 밀폐장치를 생각하기 위해, 플라즈마로 채워진 원통관이 있다고 하고 이 원통관 둘레에 도선을 감아서 코일을 만든다. 코일에 전류가 흐르면 전자석이 되어 원통관 내에 축 방향의 자력선을 갖는 자기장이 만들어진다. 모든 플라즈마 입자들이 정규운동을 한다면 강한 자기장에 의하여 벽에 충돌하지 않되고 따라서 에너지 손실은 없을 것이다. 그러나 원통관의 축 방향으로는 자유롭게 움직이므로 유한한 원통관의 끝을 통하려는 플라즈마 입자들이 빠져나가게 된다. 이 손실을 막는 방법으로는 두 가지를 생각할 수 있다. 하나는 원통관을 구부려 양 끝을 맞대는 것이다. 이렇게 하면 원통관은 도우넛 모양의 형태를 갖게 된다. 따라서 여기서는 자연히 원통관의 끝을 통하여 빠져나가는 플라즈마 입자들은 없게 된다. 다른 하나는 원통관의 양 끝보다 강한 자장을 만들어주는 것이다. 이렇게 함으로써 플라즈마 입자가 보다 강해진 자장 영역으로 들어오면 원통관 내로 되돌려 보내지게 된다. 전자와 같은 폐쇄형 구조를 토로이달 자장용기(Toroidal Magnetic Trap), 후자의 개방형 구조를 자기거울(Magnetic Mirror)이라 부르는데폐의 기본이 되는 구조이다.폐쇄형 장치의 자장 밀폐용기는 원형 자력선이 감겨져 있는 모습으로 이루어져 있다. 이 원형의 자력선은 토로이달(Toroidal) 방향으로 놓여있게 됨으로써 토로이달 자기장이라고 부른다. 이러한 토러스형 장치의 특징은 플라즈마 입자가 자력선을 따라 움직이기만 하면 자장용기 밖으로 유출되는 일이 없다는 것이다.그러면 토러스형 장치가 플라즈마를 어떻게 밀폐시킬 수 있는지를 알기 위하여 다음 그림과 같은 단순 토러스형 장치에서 플라즈마 거동을 살펴볼 수 있다.가장 간단한 토러스형 장치는 옆의 그림에서 보인 것과 같이 도우넛 형태의 용기 주위에 코일을 감고 여기에 전류를 흘림으로서 자장용기를 만드는 것이다.도넛 형태의 용기가 되면 용기의 안쪽 코일의 간격이 바깥쪽에 비해 좁기 때문에 토러스 단면에서의 자장세기는 필연적으로 안쪽에서 강하고 바깥쪽으로 갈수록 약해지게 된다. 즉, 단순 토러스 장치에서는 자력선의 방향에 수직인 종단면상에서 볼 때, 바깥쪽으로부터 안쪽을 향하여 자기장 세기에 기울기가 생긴다(∇B).자기장 세기가 일정하지 않은 경우 자력선의 방향과 ∇B 방향에 모두 수직인 방향으로 플라즈마 입자가 드리프트된다. 또한 이때의 드리프트 방향은 이온과 전자가 서로 반대가 된다. 따라서 이온과 전자는 단순 토러스형 밀폐장치 모형 그림에서와 같이 상ㆍ하로 분리되는데, 이로 인하여 플라즈마 내에 전기장이 생긴다. 이 전기장은 다시 자력선의 방향과 수직이 되기 때문에 플라즈마 입자는 이온ㆍ전자 모두 용기의 바깥쪽을 향하여 E×B의 드리프트 운동을 하게 된다. 이렇게 하여 단순 토러스에서는 밀폐된 플라즈마가 매우 짧은 시간 사이에 자력선을 가로질러 결국은 용기의 바깥벽에 충돌하고 만다.이러한 단순 토러스 장치의 결함은 토러스 단면에서 자기장의 세기가 토러스 주축을 향할수록 강해지기 때문에 생기는 것이다. 그러나 토러스에서 자기장의 세기에 이와 같은 기울기가 생기는 것은 원리적으로 피할 수 없다. 이런 이유로 단순 토러스 장치에서는 원하는 플라즈마 없다.이를 보안하기 위해 개발된 것이 토카막인다. 토카막의 원리는 자력선 회전변위를 만드는 전류를 플라즈마 자체에 전류를 공급하여 해결하는 방식이다. 토러스 용기 내에 핵융합연료용 기체를 넣고 1차 코일에 충격적 펄스전류를 흘려주면 강한 유도전류의 영향으로 전리되면서 플라즈마로 되고, 더불어 용기의 토로이달 방향으로 강한 유도 전기장이 형성되면서 플라즈마에 전류가 흐르게 된다. 이 전류가 바로 회전변위를 주는 폴로이달 자기장 BP를 만드는 것이다. 이렇게 토카막 장치에서 플라즈마에 흐르는 전류는 자력선의 화전변위 등을 형성시킴으로써 플라즈마 평형과 안정화를 이룰 뿐만 아니라 동시에 자체 플라즈마를 가열시키는 역할도 담당하고 있다.이러한 MHD 발전은 위에서 살펴본 바와 같이 초고온 영역에서 작동하는 발전시스템이기 때문에 먼저 고온 하에서의 작동에 필요한 요소기술의 확립이 필요하다. 발전유로절연벽과 연소기, 열교환기 등 고온이 되는 구성부 소재에 관해서는 내열성이 우수한 세라믹스 등의 소재개발뿐 아니라 열응력을 최대한 줄이는 설계와 운전방법의 확립도 필요하다. 복잡한 운전방법은 플랜트로서의 신뢰성 저하를 초래하므로 큰 문제가 되고 있다.전극소재로는 금속을 사용하지 않을 수 없는데, 특히 Open Cycle 방식의 경우 전극이 연소가스와 직접 접촉하기 때문에 내구성 및 내부식성 향상이 큰 과제이다. 작동유체를 고온으로 가열하기 위해서는 효율이 높고 환경성이 우수한 연소기술의 확립이 필요하다.발전성능 향상을 위해서는 작동유체를 고온으로 가열한 상태에서 고속상태로 유지하여 고르고 안정된 플라즈마를 얻어야 한다. 발전기 내에서는 전자계와 유체와의 상호작용 때문에 현상이 복잡하다. 또한 고자계를 얻기 위한 대형 초전도 자석의 경우도 신뢰성 및 운용성 향상과 저 cost화 등의 기술개발이 필요하다.더욱이 발전 플랜트 전체로서의 운용성, 경제성, 환경성, 공간요인(space factor)의 향상 등 실용화를 위해서는 많은 기술적 과제가 남아있으므로 이들 과제를 착실히 해결해요하다.

공학/기술| 2011.10.22| 3페이지| 1,000원| 조회(690)

플라즈마, 종류, 가공기술, MHD, 자기유체역학발전, 자장밀폐방식

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플라즈마의 정의 및 성질, 발생원리, 빛은내는 이유 평가A+최고예요

1. 플라즈마란?물리학에서 플라즈마(Plasma)라고 하는 것은 1928년에 랭뮤어(Irving Langmuir, 1881~1957)가 사용한 말이다. 예를 들어, 네온등이 빛을 내는 부분과 같은 진공방전일 경우에 방전상태의 기체에 대하여 조사하여 보면, 전극으로부터 조금 떨어진 양광주라고 부르는 부분에서는 전자와 이온이 거의 같은 밀도로 분포되어 있고, 평균적으로는 모든 곳에서 전기적으로 중성이 되어있어서 균질성이 아주 잘 유지되어 있는 것을 알 수 있다. 이 부분은 보통의 기체에는 없는 아주 흥미깊은 성질을 가지고 있으므로 랭뮤어는 이것을 특별한 명칭으로 부르기로 하여 플라즈마라는 말을 채용할 것을 제창하였다. 그리고 얼마 후 플라즈마라는 말이 물리학에서 그와 같은 의미로 널리 쓰이게 되었다.이렇게 해서 플라즈마라는 말이 물리학에 등장하게 되었는데, 오늘날에는 진공방전 때의 전리 기체뿐만 아니라, 이 같은 상태에 대하여 일반적으로 쓰여지고 있다. 즉, 양전기를 띤 입자와 음전기를 띤 전자가 거의 같은 밀도이고, 따라서 전기적으로 거의 중성을 유지하여 분포해 있는 입자 집단을 플라즈마라고 부른다라고 할 수 있다. 이때 중성입자가 그 속에 섞여있어도 상관이 없다.이러한 플라즈마는 물질의 제 4의 상태라고 불려진다. 물질의 상태는 대략적으로 고체, 액체, 기체, 플라즈마로 나눌 수 있다. 기체를 고온의 상태로 만들어주면 기체들끼리 충돌이 심해지고 충돌에너지가 이온화에너지 정도가 되면 기체 원자에 있는 전자가 밖으로 나오게 된다. 이때 원자는 양이온이 되어 기체가 전기적으로 이온과 전자로 분리되는 플라즈마 상태 즉, 전리상태가 된다. 이러한 상태는 마치 전해질 수용액 상태와 비슷한데 대신 기체 상태라는 것이 다르다. 이러한 플라즈마 상태는 고온에서 가능하며 화학적으로 매우 활성이 강한 상태로 지구상에서는 이러한 플라즈마 상태가 거의 존재하지 않는다. 왜냐하면 지구의 온도가 매우 낮아서 기체들의 충돌로 이온화가 일어나지 않기 때문이다. 하지만 우주전체적으로 보면 99% 이상이 플라즈마 상태에 있는데 우리 태양계에서 보면 태양이 그 대표적인 예이다. 태양은 내부에서 핵융합으로 에너지를 방출하는 거대한 플라즈마 덩어리라고 할 수 있다. 사실 우리 눈으로는 플라즈마가 희귀하겠지만 시간을 거꾸로 돌려보면 과거 빅뱅에서부터 우주 전체가 플라즈마 상태였으며 식으면서 기체나 액체, 고체 상태가 만들어진 것이다.2. 플라즈마의 특성- 전기적 특성플라즈마는 원자나 분자에 속박되지 않은 전자를 많이 갖고 있지 때문에 외부네서 전계를 걸어주면 전류를 흘릴 수 있는 특성이 있다. 전기 전도도는 일반 고체와 달리 온도가 올라 갈수록 증가하며(), 온도가 약 1000만도 이상이 될 때, 구리와 같은 전기 전도도 값을 가지게 된다.- 자기적 특성플라즈마 내부에 있는 전자와 이온들은 자계를 걸어주면 운동방향이 자계방향과 직각으로 원운동을 하게 되며 이러한 방식으로 플라즈마를 한쪽으로 잡아 놓을 수 있다. 이러한 플라즈마의 자기적 특성을 이용하여 플라즈마를 원하는 곳에 집중시킬 수 있게 되고, 플라즈마의 밀도가 높아지면 플라즈마의 전기 저항이 낮아지게 된다. 즉, 이러한 자기적 특성을 이용하면 전압을 상승시키지 않고도 높은 밀도의 플라즈마를 생성시킬 수 있다.- 화학적 특성플라즈마 내부에는 이온과 자유전자가 열운동을 하기 때문에 분자나 원자를 여기, 전리 시킬 수 있다. 이와 같은 특성을 이용한 것이 PECVD(Plasma Enhanced CVD)와 RIE(Reactive Ion ETching)등이다.- 플라즈마의 온도와 밀도플라즈마의 밀도는 단위 체적 당 입자의 개수()로 나타낸다. 플라즈마 내부의 전자 밀도와 이온 밀도는 원칙적으로 다르다. 플라즈마의 준 중성적인 특성으로 인하여 다음과 같이 표현 할 수 있다.(Z : 이온의 전하수)플라즈마의 온도는 역학적인 평형상태라는 가정 하에서 운동에너지의 평균값을 의미한다. 기체 운동론의 1차원 속도분포함수로부터 평균 운동에너지는로 주어지며, 3차원의 경우에는로 주어진다. 플라즈마 온도는 차원에 의존하는 상수를 피하기 위하여 [eV]라는 에너지 단위를 사용한다. 즉,이며,이므로, 1[eV]에 해당하는 온도는이다.즉, 1eV11,600K에 해당한다. 전자와 이온의 온도가 같을 경우에는 이온에 비해 질량이 훨씬 가벼운 전자가 열운동에 있어서 이온보다 훨씬 빠른 운동을 한다. 일반적으로 플라즈마 상태는 온도와 밀도에 따라 성질이 크게 바뀐다.- 플라즈마 진동1929년 랭뷰어와 통크스는 플라즈마 내에 강한 진동이 일어날 수 있음을 실험적으로 증명함으로써 그때까지 발견되었던 이상 현상들을 설명하였다. 이런 플라즈마 진동의 원인은 플라즈마의 준중성적 특성과 관계있다. 만일 플라즈마 내부에 약간의 전하 불균일이 발생하면 즉시 전기장이 형성되고, 이온에 비하여 움직도가 큰 전자가 가장 강한 전기력을 받게 된다. 이 전자는 이온영역으로 큰 가속도를 갖고 이동하고, 가속도가 큰 만큼 바로 정지하지 못하고, 이온영역을 지나치게 된다. 다시 전자는 반대로 생기 전기력에 이끌려 중성을 유지하기 위해 가속하게 되며, 이러한 현상이 계속 반복되는데 이러한 현상을 플라즈마 진동이라고 한다. 결국 플라즈마 진동은 플라즈마가 근본적으로 전기적인 중성을 유지하려는 성질이 있기 때문에 발생하는 것이다.3. 플라즈마의 생성플라즈마를 만들기 위해서는 자연상태의 원자나 분자를 이온화 시켜야 한다. 그러기 위해서는 높은 열을 가해주어야 한다. 즉, 수십억도에서 수백만도의 고온이 필요하다. 그러나 높은 전계를 가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화 시킬 수 있게 된다. 원자나 분자가 이온화하기 위해서는 전기장에 의해 가속된 자유전자나 이온과 충돌해야 하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다.

공학/기술| 2011.10.01| 6페이지| 1,000원| 조회(1,867)

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