전류에 의한 자기장

학습 목표

• 전류가 흐르는 도선 주위에 자기장이 발생함을 확인할 수 있다.
• 전류 주위에 발생하는 자기장을 자기력선으로 나타낼 수 있다.

물리학의 흐름

전하 주위, 전기적 공간의 왜곡이 전기적 현상을 일으켰고 그 현상이 나타나는 공간을 '전기장'이라 일컬었다.

움직이는 전하 주위에선 전기적 공간의 왜곡이 복합적으로 나타날텐데, 이러한 결과가 자기적 현상을 일으킨다고 볼 수 있지 않을까? 그 자기적 현상이 나타나는 공간을 '자기장'이라고 한다.

1. 직선 전류에 의한 자기장

①자기장의 크기와 방향

전류가 흐르는 직선 도선 주위에는 직선 도선을 중심으로 한 동심원 모양의 자기장이 생긴다. 이 자기장은 전류에 의해서 만들어지기 때문에 전류의 세기가 크면 클수록 주변 자기장의 세기가 커짐을 충분히 예상할 수 있다. 그리고 도선의 중심에서 멀어질수록 도선 주위 자기력선의 간격이 넓어지고 있다. 자기력선 간격이 벌어진다는 것은 중심에서 멀어질수록 자기력의 세기가 작아지는 걸 의미한다. 즉, 직선 전류가 만드는 자기장의 세기는 거리에 반비례한다.

 

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

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

 

②전류가 흐르는 두 개의 평행한 직선 도선 사이에 작용하는 자기력

전류가 흐르는 도선은 자석이 된 것과 마찬가지다. 따라서 전류가 흐르는 두 개의 도선 사이에 자기력이 작용한다. 자기력선을 이용하여 두 도선 사이에 작용하는 자기력의 방향을 확인해보자. 

서로 다른 방향으로 전류가 흐르는 평행한 두 도선 사이에는 척력이 작용하고, 서로 같은 방향으로 전류가 흐르는 평행한 두 도선 사이에는 인력이 작용한다.

 

아래 그림은 두 도선에 서로 같은 방향으로 흐르는 경우와 서로 다른 방향으로 전류가 흐르는 경우를 자기력선으로 나타낸 것이다. 임의 지점의 자기력선 접선 방향이 자기력 방향임을 상기하면 두 도선 사이에 작용하는 힘의 방향을 체크할 수 있다.

2. 기타 전류에 의한 자기장

①원형 전류에 의한 자기장

직선 도선을 원형으로 구부리면 도선의 각 부분에 흐르는 전류에 의한 자기장이 해당 영역 근처에 생성되면서 왼쪽 그림과 같은 원형 전류에 의한 자기력선 분포를 볼 수 있다. 따라서 원형 도선 중심의 자기장 세기(B)는 전류의 세기(I)에 비례하고 도선이 만드는 원의 반지름(r)에 반비례한다. 원형 전류는 직선 전류를 구부린 거 그 이상 그 이하도 아니다.

②솔레노이드 전류에 의한 자기장

솔레노이드는 원형 도선을 촘촘하고 균일하게 포개어놓은 기다란 형태다. 따라서 솔레노이드에 의한 자기장은 각각의 원형 도선에 흐르는 전류에 의한 자기장이 합쳐진 결과로 봐도 상관없다.

즉, 위의 그림과 같이 솔레노이드 내부에는 나란하고 균일한 세기의 자기장이 생기고, 솔레노이드 외부엔 들어가고 나가는 방향의 자기장이 생긴다. 솔레노이드가 만드는 자기력선 분포는 막대자석이 만드는 자기력선 분포와 비슷하다.

솔레노이드 내부의 자기장 세기(B)는 솔레노이드에 흐르는 전류의 세기(I)에 비례한다. 그리고 솔레노이드는 각각의 원형 도선이 합쳐진 결과이기 때문에 원형 도선이 많이 겹쳐질수록 자기장의 세기가 커진다. 따라서 솔레노이드 내부의 자기장 세기(B)는 단위 길이당 도선을 감은 횟수(n)에 비례한다. 단위 길이당 도선을 감은 횟수(n)는 솔레노이드를 전체적으로 감은 횟수(N)을 전체 길이(L)로 나누어 구한다.