In this paper, magnetic buoyancy force on nonmagnetic solid object submerged in magnetic liquid was simulated and measured. For the evaluation of the force, a multi-physics approach of hydrostatic equilibrium considering magnetic body force as well as gravity is presented. The magnetic body force should be regarded as an additional forcing term in the momentum equation of hydrodynamics. It is also shown that the virtual air-gap based Kelvin’s force formula is a useful method for the calculation of force distribution in the magnetic liquid. The experimental result which was performed by a load-cell measurement system agreed quantitatively well with the numerical one. Key Words : Multi-physics simulation, Buoyancy, Magnetic liquid, Hydrodynamics, Hydrostatics, Magnetic body force* Corresponding Author : Dept. of Electrical Engineering, Kyungpook University, Korea.E-mail : tochs@knu.ac.krReceived : October 17, 2012; Accepted : December 18, 2012 1. 서 론 자성유체는 자성을 가지는 액체로서 우주의 진공상태에서의 헬멧과 같은 기기의 기밀 기압유지와 액체연료제어를 위한 장치, 회전축 실링장치, 능동식 댐퍼등과 같은 산업분야에서 응용이 된다[1][2]. 고체가 아닌 유체상태의 자성체인 자성유체는 고체자성체가 보이는 현상과 여러모로 다른 현상을 보여 학자와 연구원들의 이론과 실험적 관심의 대상이기도 하다.본 논문에서는 자성유체를 전자기장 관점에서 어떻게 해석하여야 하는 가를 보여주고자 한다. 자성유체 내에서 기계적 역학과 전자기적 역학이 서로 얽힌 상태에서 전자기력에 의한 영향을 어떻게 구하는 것이 옳은가에 대한 탐구의 일환으로, 자성유체 내의 비자성체에 미치는 힘에 대한 연구결과이다. 이론적 검토는 수치해석과 실험에 의하여 검증하였다. 자성유체 내부에 그림 1과 같이 자석과 비자성체가 있다고 가정하면, 비자성체는 자석과 멀어져가는 방향으로 힘을 받게 된다. 이러한 현상은 자석이 자성유체를 끌어당겨 자석의 주변에 몰리게 함으로서 발생하는 자연스러운 현상의 결과로서 이로 인해 비자성체가 밀려나게 되는 것이다. 자석의 입장에서 보면 동일한 반발력이 반대방향으로 작용할 것이다. 중력이나 다른 힘은 없다고 가정하면 이 시스템에 부가되는 힘은 오로지 전자기적인 원인에 의해서일 것이다. 일반적으로 전자기력 계산에 많이 사용하는 맥스웰응력법Maxwell stress method을 사용하여 비자성 고체에 미치는 전자기력을 바로 계산하려고 하면 우선 폐쇄면closed surface을 그 주위에 설정하여야하는 데, 비자성체의 경우 이 면을 비자성체 표면 바로 위 또는 바로 아래로 설정하면 그 면 내부의 힘 계산은 영이 될 수밖에 없다. 전자기력이 비자성체는 영향을 미치지 않기 때문이다. 자성유체 전체를 감싸는 면을 설정하여 자성유체에 미치는 힘을 계산 한다 하더라도 이 힘은 비자성체에 미치는 실제의 힘과 대응되는 것으로 볼 수가 없다. 이러한 방식으로 자성유체에 미치는 힘을 계산하려하면 자석과 자성유체 사이에 미치는 힘도 계산하여야 하는 데, 이 또한 자석을 제외한 자성유체를 어떤 폐쇄면으로 감쌀 것인가 하는 개념적 혼돈을 야기한다. 더구나, 자성체나 유전체의 표면이나 공극에서 표현되는 맥스웰 응력 또는 맥스웰 표면력은 물리적인 의미가 없고 물체 전체에 미치는 힘 또는 체적력에서만 의미가 있다[3][4].그림1 자성유체에 잠긴 영구자석과 비자성체Fig. 1A permanent magnet and a nonmagnetic object when both are submerged in a magnetic liquid 이러한 모순들의 해결과 일관된 역학적 설명을 위해서는, 비자성체 또는 자성유체에 전체에 미치는 힘을 구하는 접근이 아닌 자성유체내부에 미치는 체적력을 중력과 함께 고려하여 비자성체의 표면에 미치는 압력을 구하는 접근법이어야 한다. 즉 전자기 체적력을 추가로 고려한 정유체역학hydrostatics이어야 한다. 본 논문에서는 자성유체의 자기장