전류가 만드는 자기장 {암페어 법칙}

물리학Ⅰ 전개도

판서 조직도

목표 기출 문제

15년도 수능 물리1 10번

답: 3번

 

14년도 7월 학평 물리1 9번

답: 4번

 

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 표시됩니다. 

자기력선의 특징

ⓐN극에서 나와 S극으로 들어가는 모양의 닫힌 곡선으로 구성됩니다. 

ⓑ자기력선간 간격이 좁은 곳의 자기장이 강한 세기를 가집니다.

ⓒ자기력선 위의 한 점에서 그은 접선 방향이 그 점에서의 자기장 방향입니다. 

   +나침반의 N극이 가리키는 방향도 자기장의 방향을 의미합니다.

ⓓ자기력선은 도중에 갈라지거나 교차되지 않습니다.

 

자석의 내부와 외부의 자기장 방향

우리는 의례적으로 자기장의 방향이 N극에서 S극을 향한다고 배웠는데요. 이 방향은 엄밀히 말하면 자석 외부에서만 유효해요. 자석 내부에서는 S극에서 N극을 향하는 방향으로 자기력선이 그려집니다. 그 이유는 자기력선은 도중에 갈라지지 않는 닫힌 구조를 보이기 때문이죠.   

 

추가로 두 개 이상의 자극이 가까이 있을 때의 자기력선 분포도 꼭 숙지하세요.

서로 같은 자극이 마주한 경우의 자기력선 분포

서로 다른 자극이 마주하는 경우의 자기력선 분포

 

2) 전기력 vs 자기력

전기력과 자기력은 비슷해 보입니다. 전기력을 매개하는 전하는 두 종류(+,-), 자기력을 매개하는 극도 두 종류(N, S)가 있죠.

전기력선과 자기력선

+전하에서는 전기력선이 점전하로부터 나가는 방향을 보이고, -전하에서는 전기력선이 점전하로 들어오는 방향을 보입니다. 자기장도 마찬가지로 N극에서 나가는 방향을 보이고, S극으로 들어오는 방향을 보이네요.

 

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.

 

예외, 전기와 자기의 차이점

+전하와 -전하는 서로 독립적으로 존재할 수 있지만, 자석의 극은 절대 홀로 있을 수 없어요. 다른 말로 자석의 N극과 S극은 절대 분리가 될 수 없어요. 자성을 띠는 물체는 항상 N극-S극 쌍을 유지합니다. 

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삼성전자가 컬러 TV 개발에 성공한 것은 1976년이었어요. 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 거예요. 노선이 급히 변경됐음에도 어찌저찌 삼성은 수출 계약을 따내는 데 성공합니다. 그러나 TV 판매 개시를 앞둔 때에 심각한 문제가 도사리고 있음을 발견하죠. TV를 켰더니 화면 아래위가 거꾸로 나오는 거예요. 미칠 노릇이었죠. 이는 브라운관 TV의 전자계 방향이 지구 위도에 따라 달라진다는 것을 미처 생각하지 못한 해프닝이었습니다. 호랑이 굴에 들어가도 정신만 차리면 살 수 있다는 말이 있듯이 삼성은 부랴부랴 기기를 하나 하나 뜯어고친 뒤에 판매를 개시했고, 삼성 TV는 열흘 만에 매진됩니다. 여러 위기를 지혜롭게 넘긴 삼성은 곧 미국 시장에 진출하게 되죠. 그리하여 2022년 기준으로 17년 연속 TV 시장점유율 세계 1위를 달성하고 있습니다.

이처럼 우리가 살고 있는 지구는 하나의 커다란 막대자석과 같습니다. 이러한 지구 주변에 생기는 자기장 덕분에 우리는 유해한 우주선과 태양풍으로부터 보호받을 수 있어요. 만약에 지구 자기장이 사라진다면 어떤 일이 발생할까요? 그 궁금증을 다룬 영화가 '코어'랍니다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=jM2ut1QuQOM 

지구 자기장은 끊임없이 변화해요. 남북 자극이 바뀌는 지자기 역전 현상이 발생할 때는 지구 자기장이 약해지거나 사실상 사라지기도 합니다. 이 같은 현상은 지난 8300만 년 동안 183번 일어난 것으로 알려졌어요. 이 같은 자기장의 변화가 네안데르탈인 멸종의 원인 중 하나로 작용했을 거라는 썰도 있습니다. 연구 결과에 따르면 자기장의 변화가 오존층을 고갈시키고, 자외선 수치와 더불어 방사능 지수를 함께 상승시킵니다. 실제로 네안데르탈인 멸종 시기에 동굴 벽화가 급격히 늘어났는데요. 척박한 환경을 피해 오랜 기간 동굴에 지내면서 벽화를 많이 그릴 수밖에 없었다는 식으로 짐작합니다.

 

지구 자기장은 지금도 서서히 변화하고 있습니다. 최근에는 지구 자기장의 거대 균열이 커지는 등 자기장 역전이 진행되고 있다는 보고도 나오고 있어요. 이 같은 변화가 대멸종을 일으킬 수준은 아니라는 게 전문가들의 의견이지만, 전자기기 의존도가 더욱 높아질 미래 사회에 막대한 혼란을 가져올 가능성은 있습니다. 그렇다면 지구가 하나의 커다란 자석과 같은 이유는 무엇이며, 이러한 자석 주위에 자기장이 생기는 이유는 무엇일까요? 자기적인 현상이 처음 발견된 이후 2000여 년간 이 질문에 대답을 아무도 하지 못했습니다. 그러나, 19세기 평범했던 한 과학 선생님이 이 대답에 대한 힌트를 발견하게 됩니다.

 

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2. 자기장의 원인

전류가 만드는 자기장

1820년 덴마크의 한적한 시골 학교의 한 교사에 의해 자기력의 비밀에 대한 힌트가 밝혀집니다. 이 교사는 전류의 열작용을 확인하기 위한 실험을 학생들에게 보여주던 중 이상한 것을 발견합니다. 분명히 주위에 자석이 없는데도 불구하고 나침반의 바늘이 움직인다는 걸 확인한 거죠. 더 이상한 점은 도선에 전류가 흐르는 순간에만 바늘이 움직였다는 거예요. 이 이상한 현상을 발견한 교사는 바로 외르스테드입니다. 외르스테드는 전류가 흐를 때 도선 주위에 자기장이 만들어지고, 이 자기장에 의해 나침반의 바늘이 움직이는 게 아닐까 추측을 하게 돼요. 훗날 앙페르는 외르스테드의 추측을 실험을 통해 다음과 같은 식들로 전류와 자기장의 관계를 정량화합니다.

 

①직선 전류

전류가 흐르는 직선 도선 주위에는 직선 도선을 중심으로 동심원 모양의 자기장이 생깁니다. 자기장은 전류에 의해서 만들어지기 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(B)는 도선에 흐르는 전류의 세기(I)에 비례하고, 도선으로부터 거리(r)에 반비례합니다.

 

B ∝ I/r 

 

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

직선 전류 주위에 뿌려진 철가루로 확인하는 자기장

 

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 있습니다. 원형 전류는 직선 전류를 구부린 거 그 이상 그 이하도 아니에요. 따라서 원형 도선 중심의 자기장 세기 시 전류의 세기에 비례하고, 도선이 만드는 원의 반지름에 반비례합니다. 

 

원형도선 중심의 자기장 B ∝ I/r, r = 원형 도선의 반지름 

 

원형 전류 주위에 뿌려진 철가루로 확인하는 자기장

 

③솔레노이드(=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 원형도선이 합쳐진 결과이기 때문에 원형도선이 많이 겹쳐질수록 그만큼 자기장의 세기가 커지겠죠? 따라서 솔레노이드 내부의 자기장 세기 B는 단위 길이당 도선을 감은 횟수 n에 비례합니다.

 

솔레노이드 내부의 자기장 B∝nI

 

솔레노이드 주위에 뿌려진 철가루로 확인하는 자기장

 

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

솔레노이드 주변의 자기장 방향을 알고 싶을 때 약간 변형된 오른손 법칙을 사용해요. 솔레노이드에 흐르는 전류의 방향으로 네 손가락을 감쌀 때, 엄지손가락이 가리키는 방향이 솔레노이드 내부의 자기장 방향입니다. 위의 그림을 보면 솔레노이드 왼쪽은 자석의 N극, 솔레노이드의 오른쪽은 자석의 S극에 대응되는데요. 그 이유는요. 밑의 그림을 보시면 됩니다.

솔레노이드 전류가 만드는 자기력선 분포가 막대자석이 만드는 자기력선 분포와 비슷하기 때문이에요. 따라서 자철석이나 적철석을 제련하지 않고도 자석을 만들 수 있습니다. 바로 코일을 휘감아 만드는 전자석이죠.

 

전자석

전자석 기중기

전자석은 일반 자석 대비 자기장의 세기와 방향을 입맛에 맞게 바꾸기 쉽습니다. 솔레노이드에 흐르는 전류를 바꿔주면 되거든요. 이러한 전자석은 전자석 기중기나 MRI 촬영장치에 활용됩니다.

 

연애소설 - 에픽하이

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

우리 한때 자석 같았다는 건
한쪽만 등을 돌리면 멀어진다는 거였네.

 

 

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.

 

 

도전 기출 문제

20년도 6월 모평 물리학1 11번

답: 5번

 

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