자기력과 물질의 자성(전류가 만드는 자기장, 상자성체, 반자성체, 강자성체)

물리학Ⅰ 전개도

아웃라인

핵심 개념

①전류가 만드는 자기장 ②상자성체 ③반자성체 ④강자성체

목표 기출 문제

15년도 수능 물리1 10번

답: 3번

 

14년도 7월 학평 물리1 9번

답: 4번

 

15년도 6월 모평 물리1 5번

답: 1번

1. 자기장

1) 자기장과 자기력선

'자기장'이란 자기력이 작용하는 공간을 의미하며, '자기력'이란 자성(자기적인 성질)을 띤 물체끼리 상호작용하는 힘을 가리키는 것으로써 자기력의 방향은 '자기력선'으로 표시된다.

자기력선의 특징

①N극에서 나와 S극으로 들어가는 모양의 닫힌 곡선이다.

②자기력선의 간격이 좁을수록 자기장의 세기가 강하다.

③자기력선 위의 한 점에서 그은 접선 방향이 그 점에서의 자기장 방향이다.

④자기력선은 도중에 갈라지거나 교차되지 않는다.

2) 전기력 vs 자기력

전기력과 자기력은 비슷하다. 전기력을 매개하는 전하는 두 종류(+,-), 자기력을 매개하는 극도 두 종류(N,S)이다.

전기력선과 자기력선

+전하에서는 전기력선이 점전하로부터 나가는 방향을 향하고, -전하에서는 전기력선이 점전하로 들어오는 방향을 향한다. 자기장도 마찬가지로 N극에서 나가는 방향을 향하고 S극으로 들어오는 방향을 향하고 있음을 확인할 수 있다. 

자기력의 종류

서로 다른 전하끼리 인력이 작용하고 서로 같은 전하끼리 척력이 발생하듯이 서로 다른 극끼리 인력이 작용하고 서로 같은 극끼리 척력이 작용한다. 그리고 전하로부터 멀어질수록 전기력이 약해지듯이 자석으로부터 멀어질수록 자기력이 약해진다. 여러모로 자기력은 전기력과 비슷하다. 마치 전기력과 자기력이 하나의 쌍둥이인 듯 말이다.

예외, 전기와 자기의 차이점

+전하와 -전하는 서로 독립적으로 존재할 수 있지만 자석의 극은 절대 홀로 있을 수 없다. 자석의 N극과 S극의 경계를 완벽히 절단해도 소용없다. 자성을 띠는 물체는 항상 N극-S극 쌍을 유지한다.

2. 자기장의 원인

전류가 만드는 자기장

1820년 덴마크의 한적한 시골 학교의 한 교사에 의해 자기력의 비밀에 대한 힌트가 밝혀진다. 이 교사는 전류의 열작용을 확인하기 위한 실험을 학생들에게 보여주던 중 이상한 것을 발견한다. 분명히 주위에 자석이 없는데도 불구하고 나침반의 바늘이 움직인다는 걸 확인한다. 더 이상한 점은 도선에 전류가 흐르는 순간에만 바늘이 움직였다는 것이었다. 이 이상한 현상을 발견한 교사는 바로 외르스테드이다. 그는 나침반을 움직이게 하는 힘, 자기력이 전류와 관련이 있지 않을까 추측한다. 그는 전류가 흐를 때 도선 주위에 자기장이 만들어지고 이 자기장에 의해 나침반의 바늘이 움직이는 게 아닐까 결론을 낸다. 

 

①직선 전류

전류가 흐르는 직선 도선 주위에는 직선 도선을 중심으로 동심원 모양의 자기장이 생긴다. 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 듬성듬성해진다는 것은 중심에서 멀어질수록 자기력의 세기가 약해진다는 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.

B ∝ I/r 

자기장의 방향은 오른손을 이용하여 쉽게 확인할 수 있다.(무조건 오른손이어야만 함.) 오른손 엄지손가락이 가리키는 방향을 전류가 흐르는 방향으로 세팅을 한 상태에서 네 손가락을 감싸는 방향이 자기장의 방향이다.

②원형 전류

 

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 있다. 따라서 원형 도선 중심의 자기장 세기는 전류의 세기에 비례하고 도선이 만드는 원의 반지름에 반비례한다. 원형 전류는 직선 전류를 구부린 거 그 이상 그 이하도 아니다.

③솔레노이드(=코일) 전류

솔레노이드는 원형 도선을 촘촘하고 균일하고 기다랗게 포개어놓은 형태다. 따라서 솔레노이드 전류에 의한 자기장은 각각의 원형 전류에 의한 자기장이 합쳐진 결과로 봐도 상관없다. 즉, 위의 그림과 같이 솔레노이드 내부에는 나란하고 균일한 세기의 자기장이 생긴다. 솔레노이드 전류가 만드는 자기력선 분포는 막대자석이 만드는 자기력선 분포와 비슷하다. 솔레노이드 주변의 자기장 방향을 알고 싶을 때 약간 변형된 오른손 법칙을 사용한다. 솔레노이드에 흐르는 전류의 방향으로 네 손가락을 감쌀 때, 엄지손가락이 가리키는 방향이 솔레노이드 내부의 자기장 방향이다. 위의 그림을 보면 엄지손가락이 왼쪽을 가리키므로 솔레노이드 왼쪽은 자기장이 나가는 자석의 N극에 대응된다. 반대로 솔레노이드의 오른쪽은 자기장이 들어오는 자석의 S극에 대응된다.

 

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 커진다. 따라서 솔레노이드 내부의 자기장 세기(B)는 단위 길이당 도선을 감은 횟수(n)에 비례한다. 

B∝nI

3. 물질의 자성

과학자들은 전류가 자기장을 만든다는 사실을 알게 됐다. 전류란 전하의 움직임에 기인한다. 원자핵 주위의 전자 움직임, 즉 원자 내부에는 전류가 존재하기 마련이다. 이 사실을 통해 과학자들은 자석을 비롯한 여러 가지 물질의 자기적 성질을 설명할 수 있게 됐다.

1) 자성의 원인

물질이 가지는 자기적 성질을 줄여서 '자성'이라 한다. 물질을 이루는 원자 속 전자는 두 가지 운동을 한다. 하나는 원자핵 주위를 공전하는 운동(궤도 운동)이고 하나는 전자의 자전 운동(스핀)이다. 전자가 움직인다는 건 원자 내에 전류가 흐른다는 걸 의미한다. 따라서 전자가 원자핵 주위를 돌면 왼쪽 그림과 같은 자기장이 발생한다. 전류가 흐르는 방향은 전자의 이동 방향과 반대임을 꼭 확인하라. 그리고 전자 스핀에 의해 전자 주위에도 자기장이 생긴다. 대부분의 물질에서는 전자 스핀이 전자의 궤도 운동보다 더 센 자기장을 형성한다. 이처럼 원자 내의 전자 운동이 물질이 띠는 자성의 근본적인 원인이다.

실제 물질을 구성하는 엄청난 수의 원자, 3차원으로 분석해야 할 운동 방향 가짓수까지 고려하면 각각의 자기장 방향은 천차만별이다. 이처럼 랜덤한 방향의 자기장 각각이 상호작용하는 결과에 따라 물질의 자성적 정체성이 결정된다.

2) 자성체의 종류

①상자성체

원자는 전자 운동에 의해 자기장을 띠는 작은 자석과도 같다. 평상시에 원자 자석들이 무질서하게 배열되어있어 결과적으로 서로의 자기장이 상쇄되어 자기장을 띠지 않는 자성체를 '상자성체'라 한다. 주로 종이, 백금, 알루미늄, 마그네슘 등이 상자성체이고 이 상자성체에 외부 자기장을 걸어주면 그림에서 보다시피 원자 자석들이 외부 자기장의 방향으로 약하게 정렬된다. 따라서 자석에 약하게 끌려온다. 이처럼 자기장을 띠지 않는 물체에 외부 자기장을 걸어주면 원자 자석의 자기장 방향이 일괄적으로 배열되어 물체가 자성을 갖게 되는데 이를 '자(기)화'라고 한다. 외부 자기장을 제거하면 상자성체의 원자 자석들이 다시 랜덤하게 움직이기 때문에 상자성체는 자성을 잃어버리게 된다.

 

②반자성체

반자성체는 외부 자기장 속에 놓였을 때 외부 자기장의 반대 방향으로 약하게 자화되는 물질로써 금이나 구리, 플라스틱, 유리, 물등이 있다.

초전도체

이외에도 특정 온도 이하에서 반자성 효과를 가지는 물체가 있는데 '초전도체'가 그런 경우다.

초전도체에 외부 자기장을 가하면 외부 자기장과 같은 세기의 자기장이 초전도체 내부에 반대 방향으로 발생하여 초전도체 내부의 자기장이 0이 되는데 이 현상을 '마이스너 효과'라 한다.

 

③강자성체

강자성체의 경우에는 자기장 방향이 같은 원자 자석들끼리 모여서 영역을 형성한다. 이러한 영역을 '자기 구역'이라고 하는데 자기 구역마다 자기장의 방향은 제각각이다. 

외부 자기장이 없을 때는 각 자기 구역마다 나타내는 자기장의 방향이 제멋대로라서 전체적으로 자성을 띠지 않지만, 외부 자기장을 가해주면 각 자기 구역의 자기장이 외부 자기장과 같은 방향으로 자화된다. 여기까지는 상자성체와 별반 다를 바가 없다. 하지만 강자성체는 외부 자기장을 제거해줘도 대부분 자기 구역의 자기장 방향이 원래대로 되돌아가지 않기 때문에 자화가 유지되어 자성을 띠게 된다. 철, 니켈, 코발트 등이 이러한 특성을 지닌다.

강자성체의 활용, 전자석

왼쪽과 오른쪽의 자기력선 수를 비교해보라.

이러한 강자성체의 자화를 이용하여 솔레노이드 내부 자기장 세기를 증폭시킬 수 있다. 같은 세기의 전류를 흘려주더라도 솔레노이드 내부에 강자성체(철심)가 있으면 없을 때보다 자기장이 1000배 이상 세진다. 전자석은 솔레노이드에 흐르는 전류를 조절하여 자기장의 세기와 방향을 매우 쉽게 조절할 수 있다. 이러한 전자석은 전자석 기중기나 MRI 촬영장치에 활용된다.

강자성체의 활용, 하드 디스크

하드디스크

컴퓨터의 하드디스크에는 정보를 기록하는 부분(플래터)이 있다. 플래터는 강자성체를 씌워 만드는데, 외부 자기장이 제거돼도 자화가 유지되는 강자성체의 성질을 이용하여 기록된 정보를 유지한다. 플래터에 정보를 기록할 때는 헤드에 있는 전자석으로 강자성체의 자화 방향을 재배열한다. 

도전 기출 문제

22년도 수능 물리학1 6번

답: 1번

 

23년도 수능 물리학1 7번

답: 1번

 

20년도 6월 모평 물리학1 11번

답: 5번