스피커는 전기 에너지를 음향 에너지로 변환하는 데 사용됩니다. 스피커의 작동 원리는 로렌츠 힘(Lorentz force)을 이용하여 설명할 수 있으며, 전기 모터와 크게 다르지 않습니다. 콘(cone)이 움직일 때, 소리파를 생성합니다. 이것은 공간의 특정 지점에서 공기 압력을 변화시킵니다. 이 공기 압력 변화는 매체에 따라 속도가 다르며, 공기 중에서는 초당 약 340미터입니다. 우리 귀는 이 공기 압력 차이를 감지하고 해당 소리파에 해당하는 소리를 듣게 됩니다. 예를 들어, 콘이 100헤르츠의 주파수로 앞뒤로 움직이면, 우리는 100헤르츠의 주파수 소리를 듣게 됩니다.
높은 주파수는 더 높은 음조의 소리와 함께 옵니다.
완벽한 1000헤르츠 주파수의 백색 소음을 재생하려면, 우리는 휴대폰을 연결하고 스피커가 모든 작업을 수행하도록 합니다. 그러나 콘을 이 주파수로 움직이게 하는 방법은 무엇일까요? 여기서 로렌츠 힘이 작용합니다. 자기장 근처의 도체를 통해 전기 전류를 흐르게 하면, 이 도체에 힘이 가해집니다. 전류의 크기를 증가시키면 케이블이 구부러집니다. 스피커에는 큰 자석이 있고, 자기장을 집중시키고 방향을 정하는 코어가 있습니다. 코일에 전류를 흐르게 하면, 자기장은 이 전류에 수직이므로 로렌츠 힘은 코일을 자체 축으로 가속시킵니다. 사인파를 적용하면 코일이 상하로 움직입니다. 따라서 100헤르츠 소리를 생성하려면 코일에 100헤르츠 교류 전류를 적용합니다.
코일을 콘에 부착하여 움직임을 생성합니다. 음악은 일반적으로 다양한 크기와 주파수의 많은 사인파로 구성됩니다. 따라서 이 모든 사인파를 합산하여 코일을 통과하는 전류를 만들면 원하는 음악이나 소리를 재생할 수 있습니다. 스피커의 출력은 코일에 적용하는 전압과 코일의 임피던스에 따라 달라집니다.
그러나 모든 전력이 음향 전력으로 변환되는 것은 아니며, 대부분의 전력은 열로 소산됩니다. 이는 코일의 임피던스가 주로 저항적이기 때문입니다.
이 비디오는 스피커가 어떻게 작동하는지에 대한 애니메이션 설명을 제공하며, 물리학과 공학의 개념을 사용하여 스피커의 기본 원리를 설명합니다.
로렌츠 힘(Lorentz force)은 전자기학에서 매우 중요한 개념입니다. 이 힘은 전기장과 자기장이 전하를 가진 입자에 미치는 힘을 설명합니다. 로렌츠 힘의 수학적 표현은 다음과 같습니다
로렌츠 힘은 두 부분으로 구성됩니다:
- 전기장에 의한 힘: 이는 로 표현되며, 전기장이 전하에 미치는 힘을 나타냅니다. 전기장의 방향과 전하의 부호에 따라 방향이 결정됩니다.
- 자기장에 의한 힘: 이는 로 표현되며, 움직이는 전하가 자기장 내에서 경험하는 힘을 나타냅니다. 이 힘의 방향은 속도와 자기장의 방향에 수직입니다. 이는 오른손 법칙으로 결정할 수 있습니다.
로렌츠 힘은 전자기 모터, 발전기, 스피커 등 많은 전자기학적 장치의 작동 원리에 핵심적인 역할을 합니다. 예를 들어, 스피커에서는 코일에 흐르는 전류가 자기장 내에서 움직이면서 로렌츠 힘을 경험하고, 이 힘으로 인해 코일이 움직여 소리를 생성합니다.
참조 싸이트
(55) How do Speakers Work -- ANIMATION - YouTube
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