전류가 만드는 자기장과 물질의 자성(암페어 법칙, 강자성체, 상자성체, 반자성체, 초전도체,자화)

왜 알아야 되죠?

상어랑 송어

해양 생물의 서식지는 비교적 깜깜하기 때문에 시각에만 의존하며 살 수 없어. 그래서 상어는 전자기 신호를 감지하여 먹이를 포획한대. 매년 똑같은 산란지를 찾아오는 송어도 상어와 유사하게 자기장 신호를 감지하여 이동한다는 연구 결과가 나오기도 했어. 바다를 표류하며 생활했던 바이킹들과 어부들이 구름이 잔뜩 낀 하늘 속에서 별과 태양을 보지 못해도 방향을 잘 잡을 수 있었던 비결도 바로 여기에 있지.

이 단원을 통해 '자기적인 현상'이라고 하면 단순히 자석과 나침반만 떠올리기엔 '자기장'이 자연 속에서 다양한 방면으로 등장하게 됨을 알 수 있고, 달라 보이는 전기력과 자기력이 사실은 서로 상호 작용하는 관계라는 직관도 얻어가게 될 거야.

기출 경향

두 개 이상의 전류(직선 전류, 원형 전류)가 만드는 자기장 문제 빈출

3점 문제는 정답률 50~60%의 난해한 문제가 빈출되지만 3점임에도 정답률이 70~80%인 문제도 많이 나옴

문제 스타일이 딱 보면 뭔가 풀기 싫은 유형이 많이 나옴. 쿨롱 법칙 문제랑 유사함. 내용 자체가 어렵진 않지만, 높은 사고력을 요구함. 계산 자체가 복잡하지는 않음.

의외로 자성체의 성질을 묻는 간단한 문제의 정답률이 낮음 50~60% 

'물질의 자성' 파트는 전반적으로 정답률 70~90%의 쉬운 문제 출제

초전도체 문제는 매우 쉬운데 은근히 못품. 정답률이 70%대임

1. 전류가 만드는 자기장

지구가 하나의 커다란 자석인 이유는 무엇이며, 이러한 자석 주위에 자기장이 생기는 이유는 무엇일까? 도대체 자기장이라는 뭘까? 무려 2000여 년간 어느 누구도 이 질문에 대한 답을 내놓지 못했어.

외르스테드의 실험

때는 바야흐로 1820년. 덴마크의 한적한 시골 학교

그 학교 교사였던 외르스테드는 수업 시간에 학생들에게 전선에 전류가 흐르면 열이 발생히는 걸 보여주기 위해 실험을 하고 있었어. 그런데 이상한 걸 발견한 거야. 분명히 주위에 자석이 없는데도 불구하고 나침반의 바늘이 까딱까딱 움직이는 거야. 더 이상한 건 도선에 전류가 흐르는 순간에만 바늘이 까딱까딱 움직였다는 거.. 

 

외르스테드는 나침반을 움직이게 하는 힘이 전류와 관련이 있지 않을까 생각해. 이러한 외르스테드의 발견으로 2000여 년간 묻혀왔던 자기력의 비밀이 벗겨지게 돼. 즉, 자기 현상과 아무런 관련이 없다고 여겨 온 전기 현상이 자기장을 유도하는 상황을 발견한 거야. 이후에 외르스테드의 발견에 힘입어 앙페르라는 과학자가 전류가 흐르는 도선 주위에 생기는 자기장의 특징을 '암페어 법칙'으로 일목요연하게 정리해.

 

①직선 전류에 의한 자기장

전류가 흐르는 직선 도선 주위에는 직선 도선을 중심으로 한 동심원 모양의 자기장이 생겨. 이 자기장은 전류가 만든 자기장이기 때문에 전류의 세기가 크면 클수록 주변 자기장의 세기가 당연히 커지겠지?

 

그리고 도선 주위 자기력선의 간격을 보면 중심에서 멀어질수록 넓어지고 있어. 자기력선 간격이 듬성듬성해진다는 것은 중심에서 멀어질수록 자기력의 세기가 작아지는 걸 의미해.

 

정리하면 직선 전류에 의한 자기장의 세기(B)는 도선에 흐르는 전류의 세기(I)에 비례하고, 도선으로부터 거리(r)에 반비례해.

 

B ∝ I/r 

 

이때 자기장의 방향은 오른손을 이용하여 쉽게 확인할 수 있어. (무조건 오른손이어야만 함) 오른손 엄지손가락이 가리키는 방향을 전류가 흐르는 방향으로 세팅을 한 상태에서 네 손가락이 감싸지는 방향이 바로 자기장의 방향이야. 위의 그림에서는 도선을 위에서 아래로 내려다봤을 때 네 손가락이 반시계 방향으로 감싸지므로 자기장의 방향은 반시계 방향이겠지?

 

②원형 전류에 의한 자기장

 

직선 도선을 원형으로 구부리면 도선의 각 부분에 흐르는 전류에 의한 자기장이 해당 영역 근처에 생성되면서 왼쪽 그림과 같은 원형 전류에 의한 자기장 분포를 볼 수 있어. 따라서 원형 도선 중심의 자기장 세기는 전류의 세기에 비례하고 도선이 만드는 원의 반지름에 반비례하겠지? 원형 전류는 직선 전류를 구부린 거 그 이상 그 이하도 아니야.

 

 

③솔레노이드에 의한 자기장

솔레노이드는 원형 도선을 촘촘하고 균일하게 포개어놓은 기다란 형태야. 따라서 솔레노이드에 의한 자기장은 각각의 원형 도선에 흐르는 전류에 의한 자기장이 합쳐진 결과로 봐도 상관없어. 즉, 위의 그림과 같이 솔레노이드 내부에는 나란하고 균일한 세기의 자기장이 생기고, 솔레노이드 외부엔 들어가고 나가는 방향의 자기장이 생겨. 솔레노이드가 만드는 자기력선 분포는 막대자석이 만드는 자기력선 분포와 비슷해.

 

솔레노이드 주변의 자기장 방향을 알고 싶을 때 일일이 각각의 원형도선에 오른손 법칙을 적용해서 합성하면 되는데, 솔직히 번거롭잖아.

 

그래서 약간 변형된 오른손 법칙을 사용해. 솔레노이드에 흐르는 전류의 방향으로 네 손가락을 감싸면 그때 엄지손가락이 가리키는 방향이 솔레노이드 내부의 자기장 방향이야. 위의 그림을 보면 엄지손가락이 왼쪽을 가리키므로 솔레노이드 왼쪽은 자기장이 나가는 자석의 N극에 대응돼. 반대로 솔레노이드의 오른쪽은 자기장이 들어오는 자석의 S극에 대응되겠지?

 

솔레노이드 내부의 자기장 세기(B)는 솔레노이드에 흐르는 전류의 세기(I)에 비례하고, 솔레노이드는 각각의 원형도선이 합쳐진 결과이기 때문에 원형도선이 많이 겹쳐질수록 그만큼 자기장의 세기는 커지겠지? 따라서 솔레노이드 내부의 자기장 세기(B)는 단위 길이당 도선을 감은 횟수(n)에 비례해.

B∝nI

도선 주위에 철가루를 뿌리면 도선 주위에 생기는 자기장의 경향을 눈으로 쉽게 확인할 수 있어.

과학자들은 전류가 자기장을 만든다는 사실을 통해 자석과 지구를 비롯한 여러 가지 물질이 가지는 자기적 성질을 전류와 관련지어 생각하기 이르렀어.

2. 물질이 자성을 띠는 원인

물질이 가지는 자기적 성질을 줄여서 '자성'이라 한해. 과학자들은 자성을 이런 방법으로 설명해.

물질을 이루는 원자 속 전자는 두 가지 운동을 한다는데, 하나는 원자핵 주위를 공전하는 운동(궤도 운동)이고 하나는 전자가 마치 스스로의 축을 중심으로 자전하는 것과 같은 운동(스핀)이래. 전자가 움직인다는 게 뭐니? 원자내에 전류가 흐른다는 걸 의미하지. 전자가 원자핵 주위를 돌면 그림과 같은 자기장이 발생해. 전류가 흐르는 방향은 전자의 이동 방향(궤도 운동 방향)과 반대임을 꼭 확인해! 그리고 전자 스핀에 의해 전자 주위에도 자기장이 생겨. 이처럼 원자내의 전자 운동이 물질이 띠는 자성의 근본적인 원인이라는 거야.

 

우리는 지금 물질 속의 수많은 원자 중에 하나를 그리고 그 원자를 구성하는 수많은 입자 중 전자 하나에 포커스를 맞췄잖아? 실제 물질을 구성하는 엄청난 수의 원자, 3차원으로 분석해야 할 운동 방향 가짓수까지 고려하면 각각의 자기장 방향이 굉장히 천차만별임을 추측할 수 있을 거야. 이처럼 랜덤한 방향의 자기장 각각이 상호작용하는 결과에 따라 상자성체, 반자성체, 강자성체, 초전도체가 갖는 자기적 성질이 결정되는 거야.

 

①상자성체

 

원자가 작은 자석처럼 자기장을 띠지만 평상시에 원자 자석들이 무질서하게 배열되어있어 결과적으로 서로의 자기장이 상쇄되어 평상시에 자기장을 띠지 않는 자성체를 상자성체라 해. 주로 종이, 백금, 알루미늄, 마그네슘 등이 상자성체이고 이 상자성체에 외부 자기장을 걸어주면 그림에서 보다시피 원자 자석들이 외부 자기장의 방향으로 약하게 정렬되거든? 따라서 자석에 약하게 끌려와. 이처럼 자기장을 띠지 않는 물체에 외부 자기장을 걸어주어 원자 자석이 띠는 자기장의 방향을 일괄적으로 배열시켜 물체가 자기장을 띠게 되는 현상을 '자화'라고 해. 외부 자기장을 제거하면 상자성체의 원자 자석들이 다시 랜덤하게 움직이기 때문에 상자성체는 자성을 잃어버리게 돼.

 

②반자성체

 

반자성체는 외부 자기장 속에 놓였을 때 외부 자기장의 반대 방향으로 약하게 자화되는 물질로써 금이나 구리, 플라스틱, 유리, 물등이 있어. 이외에도 특정 온도 이하에서 반자성 효과를 가지는 물체가 있는데 초전도체가 그런 경우야.

(좌)특정 온도 이하에서 전기저항이 0이 되면서 반자성 효과를 가지는 초전도체 (우)자기부상열차의 원리

초전도체에 외부 자기장을 가하면 외부 자기장과 같은 세기의 자기장이 초전도체 내부에 반대 방향으로 발생하여 초전도체 내부의 자기장이 0이 되는데 이 현상을 '마이스너 효과'라 했던 거 기억나지? 

 

③강자성체

강자성체의 경우에는 '자기 구역'이라는 부분이 있어. 쉽게 말해서 자기장 방향이 같은 원자 자석들끼리 모여서 지들끼리 땅 따먹는 거야. 철, 니켈, 코발트 등이 이러한 특성을 지녀.

외부 자기장이 없을 때는 각 자기 구역마다 나타내는 자기장의 방향이 제멋대로라서 전체적으로 자성을 띠지는 않지만, 외부 자기장을 가해주면 각 자기 구역의 자기장이 외부 자기장과 같은 방향으로 정렬되면서 세력이 정리돼. 여기까지는 상자성체와 별반 다를 바가 없지. 그런데 강자성체는 외부 자기장을 제거해줘도 대부분 자기 구역의 자기장 방향이 원래대로 되돌아가지 않기 때문에 자화가 유지되어 자성을 계속 유지하지. 뭔가 세력을 제패하여 구역을 통일하신 형님들의 이야기같은 데 차마 비유를 못하겠다^^

3. 기출문제 풀어보기

15년도 9월 모평 물리1 10번/ 정답률 88%

답: 2번

 

19년도 수능 물리1 4번/ 정답률 79%

답: 4번

 

15년도 수능 물리1 10번/ 정답률 74%

답: 3번

 

14년도 7월 학평 물리1 9번/ 정답률 89%

답: 4번

 

18년도 6월 모평 물리1 6번/ 정답률 77%

답: 1번

 

13년도 3월 학평 물리1 4번/ 정답률 59%

답: 1번

 

13년도 7월 학평 물리1 8번/ 정답률 67%

답: 2번

 

15년도 6월 모평 물리1 5번/ 정답률 74%

답: 1번