전류에 의한 자기장

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학습 목표

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

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뭐?!! 뒤집어지는 TV로 애를 먹던 삼성이 뒤집어지는 기업이 됐다고?!!

 

삼성전자가 컬러 TV 개발에 성공한 것은 1970년대였어요. 그때는 국내 판매가 허가되지 않아 삼성은 해외시장을 뚫어야 했죠. 첫 수출 대상국은 중미의 파나마였습니다. 사실 삼성은 미국 시장을 타겟으로 TV 제품을 기획하고 개발했는데, 미국 시장에 앞서 파나마를 테스트 마켓으로 삼겠다며 갑작스럽게 결정이 변경된 겁니다. 노선이 급히 변경됐음에도 어찌저찌 삼성은 수출 계약을 따내는 데 성공합니다. 그러나 TV 판매 개시를 앞둔 때에 심각한 문제가 도사리고 있음을 발견하죠. TV를 켰더니 화면 위아래가 거꾸로 뒤집어진 거예요. 이는 브라운관 TV의 전자계 방향이 지구 위도에 따라 달라진다는 것을 미처 생각하지 못한 해프닝이었습니다. 삼성은 부랴부랴 기기를 하나하나 뜯어고친 뒤에 판매를 개시했고, 삼성 TV는 열흘 만에 매진됩니다. 위기를 지혜롭게 넘긴 삼성은 곧 미국 시장에 진출하게 되죠.

 

 

이처럼 우리가 살고 있는 지구는 하나의 커다란 막대자석과 같습니다. 이러한 지구 주변에 생기는 자기장 덕분에 우리는 유해한 우주선과 태양풍으로부터 보호받을 수 있어요. 그렇다면,

지구가 하나의 커다란 자석과 같은 이유는 무엇이며, 이러한 자석 주위에 자기장이 생기는 이유는 무엇일까?

 

2000여년 간 아무도 쉽사리 대답하지 못한 이 원초적인 질문의 대답에 대한 힌트, 한적한 시골의 평범했던 과학 선생님이 발견합니다. 바로 외르스테드입니다.

 

외르스테드는 전류의 열작용 실험을 하던 도중 이상한 것을 발견합니다. 분명히 주위에 자석이 없는데도 불구하고 나침반 바늘이 움직이는 거예요. 더 이상한 건 도선에 전류가 흐르는 순간에만 바늘이 움직였다는 겁니다. 그는 전류가 흐를 때 도선 주위에 자기장이 만들어지고, 이 자기장에 의해 나침반의 바늘이 움직이는 게 아닐까 추측을 하게 돼요. 이 추측은 훗날 앙페르에 의해 사실로 입증됩니다. 오늘 공부할 물리학은 앙페르가 정량화한 전류와 자기장의 관계에 대한 내용입니다.

 

물리학의 흐름

정지해 있는 전하는 주위의 전기장을 왜곡함으로써 전기적 현상을 일으키고, 움직이는 전하 즉, 전류는 자기장을 왜곡함으로써 자기적 현상을 일으킵니다. 전기와 자기, 서로 달라 보이지만 전하로 묶여있는 둘의 구조를 곱씹어보면 전기와 자기는 사실 같은 게 아닐까요? 우리의 삶도 마찬가지입니다.

 

빛이 드리우는 곳, 어딘가엔 그림자가 있습니다. 이처럼 빛과 어둠은 둘이 아니라 하나입니다. 행복과 고통 또한 둘이 아니라 하나입니다. 나를 행복하게 하는 무언가는 동시에 나를 고통스럽게도 하는 법. 그렇기에 고통의 그림자에만 매몰될 이유도, 행복의 밝음에서 자만만 떨 이유 또한 없습니다. 고통과 행복을 마주했을 때 어떤 스탠스를 취해야 올바를지에 대한 팁, 오늘 공부할 물리학이 가르쳐줍니다. 

 

1. 전류 주위의 자기장

1) 직선 전류

 

전류가 흐르는 직선 도선 주위에는 직선 도선을 중심으로 동심원 모양의 자기장이 생깁니다. 자기장은 전류에 의한 결과이기 때문에 전류의 세기가 크면 클수록 주변 자기장의 세기가 커짐을 충분히 예상할 수 있죠. 도선의 중심에서 멀어질수록 도선 주위 자기력선의 간격이 넓어지고 있습니다. 이는 중심에서 멀어질수록 자기력의 세기가 약해진다는 걸 의미하죠. 정리하면 직선 전류에 의한 자기장의 세기 B는 도선에 흐르는 전류의 세기 I에 비례하고, 도선으로부터 거리 r에 반비례합니다.

 

자기장의 방향은 오른손을 이용하여 확인할 수 있습니다. 오른손 엄지손가락이 가리키는 방향을 전류가 흐르는 방향으로 맞춘 상태에서 감싸지는 네 손가락의 방향이 자기장의 방향입니다.

2) 원형 전류

직선 도선을 원형으로 구부리면 도선의 각 부분에 흐르는 전류에 의한 자기장이 해당 영역 근처에 형성됩니다. 원형 전류는 직선 전류를 구부린 거 그 이상 그 이하도 아니에요. 따라서 원형 도선 중심의 자기장 세기는 전류의 세기 I에 비례하고, 원형 도선의 반지름 r에 반비례합니다. 

3) 솔레노이드(=코일) 전류

 

솔레노이드는 원형 도선을 촘촘하고 균일하게 포개어놓은 형태입니다. 따라서 솔레노이드 전류에 의한 자기장은 각각의 원형 전류에 의한 자기장이 합쳐진 결과로 봐도 상관없어요. 

 

따라서 솔레노이드 내부의 자기장 세기 B는 솔레노이드에 흐르는 전류의 세기 I에 비례해요. 더불어 솔레노이드는 각각의 원형 도선이 합쳐진 결과이기 때문에 원형 도선이 많이 겹쳐질수록 그만큼 자기장의 세기가 커지겠죠? 따라서 솔레노이드 내부의 자기장 세기 B는 단위 길이당 도선을 감은 횟수 n에 비례합니다. 단위 길이당 도선을 감은 횟수 n은 솔레노이드를 전체적으로 감은 횟수 N을 솔레노이드 전체 길이 L로 나누어 구합니다.

 

솔레노이드 주변의 자기장 방향은 변형된 오른손 법칙으로 구합니다. 솔레노이드에 흐르는 전류의 방향으로 오른손의 네 손가락을 감쌀 때, 엄지손가락이 가리키는 방향이 솔레노이드 내부의 자기장 방향입니다. 

전자석

 

솔레노이드 전류 주위의 자기력선 분포는 막대자석 주위의 자기력선 분포와 유사합니다. 이는 자철석이나 적철석을 제련하지 않고도 자석을 만들 수 있음을 의미해요. 바로 코일을 휘감아 만드는 전자석입니다. 전자석은 일반 자석 대비 자기장의 세기와 방향을 손쉽게 바꿀 수 있습니다. 솔레노이드에 흐르는 전류의 크기와 방향만 바꿔주면 되거든요. 이러한 전자석은 전자석 기중기나 MRI 촬영장치에 활용됩니다.

 

2. 전자기력

전류가 흐르는 도선이 하나의 자석과도 같다면, 전류가 흐르는 도선은 주위의 자석 및 또 다른 전류가 흐르는 도선과 부득불 상호 작용을 할 수밖에 없습니다. 

1) 자석과 전류가 흐르는 도선 사이의 상호 작용

 

2) 전류가 흐르는 두 개의 직선 도선 사이에 작용하는 자기력

 

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

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전기력과 자기력은 비슷해 보입니다. 전기력을 매개하는 전하에는 +와 - 두 종류가 있듯이 자기력을 매개하는 자극 역시 N극과 S극 두 종류가 있죠.

 

전기력선

 

자기력선

 

전기력선은 +전하에서 나가는 방향이며, -전하로 들어오는 방향을 보입니다. 자기장 또한 N극에서 나가는 방향, S극으로 들어오는 방향을 보입니다.

 

자기력의 종류

 

서로 다른 전하끼리 인력이 작용하고 서로 같은 전하끼리 척력이 발생하듯이 서로 다른 극끼리 인력이 작용하고 서로 같은 극끼리 척력이 작용합니다. 그리고 작용 거리가 멀어짐에 따라 전기력이 약해지듯이 자기력도 약해져요. 여러모로 자기력은 전기력과 비슷합니다. 마치 전기력과 자기력이 하나의 쌍둥이인 듯 말이죠.

 

 

네. 전기와 자기는 둘이 아니라 하나입니다. 전기와 자기, 미묘한 각도 차이가 그들을 하나로 묶어주죠. 삶과 사람 그리고 사랑, 세 단어 또한 철자의 미묘한 한 끗 차이로 인해 하나로 묶입니다.

 

연애소설 - 에픽하이

https://www.youtube.com/watch?v=BrFBdIkK99Y 

우리 한때 자석 같았다는 건, 한쪽만 등을 돌리면 남이 된다는 거였네.

 

우리의 삶, 그 속의 사람과 사랑은 우리를 행복하게도 고통스럽게도 하죠. 자석의 양극처럼 끌어당기던 관계도 방향 하나만 바뀌면 밀어내듯, 한 끗 차로 인해 서로 멀어지기 일쑤입니다. 전기장과 자기장, 서로가 서로의 다른 모습을 90º 인 곳에 남겨두었듯이 우리는 상대방을 바라보는 각도를 조금만 바꿔볼 줄 아는 여유가 필요합니다. 누구나 후져요. 상대방의 후짐에 실망하여 180º 배척하는 것보다는 90º 의 여지를 남겨두고, 상대에게 보지 못했던 다른 면을 살필 줄 아는 시크한 사람이 되어 보아요, 우리. 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.