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1[전기기사 필기] 17년 2회차
원통 좌표계에서 전류밀도 j=Kr2az[A/m2]일 때 암페어의 법칙을 사용한 자계의 세기 H[AT/m]는? (단, K는 상수이다.)
1
H=K4r4aϕH = \dfrac{K}{4}r^4a_\phi
2
H=K4r3aϕH = \dfrac{K}{4}r^3a_\phi
3
H=K4r4azH=\dfrac{K}{4}r^4a_z
4
H=K4r3azH=\dfrac{K}{4}r^3a_z
해설

암페어의 주회적분 법칙 ∮H⃗⋅dl⃗=Ienc\oint\vec H\cdot d\vec l=I_{enc}를 반지름 rr인 원형 경로에 적용한다. 전류가 aza_z 방향이므로 오른나사 법칙에 의해 자계는 aϕa_\phi 방향이고, 원주 위에서 크기가 일정하므로 좌변은 H⋅2πrH\cdot2\pi r이다.
경로가 둘러싸는 전류는 전류밀도를 단면에 적분해서 구한다. 반지름 r′r'의 미소 고리 면적이 2πr′ dr′2\pi r'\,dr'이므로
Ienc=∫0rKr′2 (2πr′ dr′)=2πK∫0rr′3dr′=2πKr44=πKr42I_{enc}=\int_0^{r}Kr'^2\,(2\pi r'\,dr')=2\pi K\int_0^{r}r'^3dr'=2\pi K\dfrac{r^4}{4}=\dfrac{\pi Kr^4}{2}
두 결과를 같게 놓으면
H⋅2πr=πKr42 ⇒ H=K4r3H\cdot2\pi r=\dfrac{\pi Kr^4}{2}\ \Rightarrow\ H=\dfrac{K}{4}r^3
방향까지 쓰면
H⃗=K4r3aϕ [AT/m]\vec H=\dfrac{K}{4}r^3a_\phi\,[\mathrm{AT/m}]
자계가 aza_z 방향인 형태는 전류 방향과 나란해져 오른나사 법칙에 어긋나고, r4r^4은 적분 결과인 전류 자체의 의존성이지 자계의 의존성이 아니다.

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