iPhone 12 및 iPhone 12 Pro 이후의 iPhone 시리즈에는 후면에 MagSafe가 탑재되어 있어, 무선 충전도 가능합니다. MagSafe에는 자석이 내장되어 있어 MagSafe 충전기를 가까이 댔을 때 적절한 위치에 붙도록 되어 있습니다만, 이러한 「체감」이 어떻게 만들어지는 것인지를 엔지니어 카비 씨가 분석하고 있습니다.
Magnetically Modelling MagSafe – kavi's blog
Magnetically Modelling MagSafe – kavi's blog
MagSafe Magnets? How do they work? After writing my last post on MagSafe, I wanted to go deeper into the magnet array. What was it that had me so fascinated? It has this property, best described in video: I’d never seen this property of self alignment be
kavi.sblmnl.co.za
MagSafe 충전기가 달라붙을 때의 모습에 대해서는 아래의 영상을 참고하세요.
Magnetically Modelling Magsafe - Intro Video (Link in Description) - YouTube
카비 씨가 MagSafe 대응 액세서리를 가까이 가져갑니다.
어느 정도 가까워지면 「딸깍」하고, 액세서리가 적절한 위치에 붙습니다.
방향을 바꾸어도 똑같이 동작합니다.
MagSafe는 원형 자석을 채용하고 있기 때문에 방향에 관계없이 같은 방식으로 작동한다는 것입니다.
위와 같이 「적절한 위치에 자동으로 달라붙는」 동작의 원리를 알고 싶어진 카비 씨는, Magpylib를 사용해 자기 모델링을 실시해 분석하기로 했습니다. 우선은 (PDF 파일) Apple의 액세서리 설계 가이드라인(R21·p148)을 조사해, Google Colab을 이용해 아래 그림과 같이 모델을 작성했습니다.
붙어 있을 때의 자계 모습은 이런 느낌. 좀 더 자세히 살펴보기 위해 빨간색 프레임 부분을 확대합니다.
2개의 부품이 붙어 있을 때에는 많은 자력선이 2개의 부품을 연결하고 있습니다.
파트를 옆으로 이동시켜 가면 중심부에서 자력선이 나뉘어 갑니다.
약 6mm 이동한 곳에서 자력선이 나뉘었습니다.
이렇게 시각화를 할 수 있었으므로, 카비씨는 계속해서 자석에 걸리는 힘을 계산해보려 했습니다. 그런데 Magpylib에는 힘을 계산하는 기능이 없었기 때문에 대신 자력으로 계산할 필요가 있었습니다. 두 자석 사이에 가해지는 힘 "F"는 자기 모멘트(magnetic moment : 자석의 강도와 방향을 나타내는 벡터양) 「m」과 자속 밀도(magnetic flux density : 자속의 단위 면적당 면밀도, 자장)「B」의 내적과 구배(gradient)를 사용하여 아래와 같이 나타낼 수 있습니다.
위의 식 그대로는 너무 복잡하기 때문에, 카비 씨는 자석의 모델을 2D모델로 옮겨, 자석의 치수를 점으로 축소하여 아래의 식으로 계산 가능하도록 했습니다.
따라서 카비 씨는 MagSafe 전체에 걸리는 힘을 시각화하는 데 성공했습니다. 아래 그림의 빨간색 선이 MagSafe에 가해지는 힘이며, 검은 선은 각 쌍극자(dipole)에 가해지는 힘을 나타냅니다. 녹색 선은 토크 방향을 나타냅니다. MagSafe 충전기가 몇 mm 레벨로 충분히 가까운 위치에 있을 때, 큰 빨간색 화살표 방향으로 붙는 힘이 발생하고 있다는 것을 알 수 있습니다.
카비 씨는 좀 더 인터랙티브 한 모델을 만들 수 없는지 찾아본 결과 p5.js 를 사용하여 아래 그림과 같은 앱을 개발하는 데 성공했다는 것. 이 응용 프로그램은 GitHub에 공개되어 있으므로 MagSafe에 걸리는 힘을 경험해보고 싶은 사람은 한번 확인해 보세요~
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