해당 차시 학습지 파일
성취 기준
전류의 자기 작용을 이용하여 에너지를 전환하는 장치의 원리를 알고, 스피커와 전동기 등을 설계할 수 있다.
물리학 전개도
판서 조직도
1. 자기장
자기장이란 자기력을 미칠 수 있는 공간의 성질입니다.
1) 자기력선
자기력이란 자성(=자기적인 성질)을 띤 물체끼리 상호작용하는 힘을 가리키는 것으로써 자기력의 방향은 자기력선으로 표시됩니다.
자기력선의 특징
ⓐ N극에서 나와 S극으로 들어갑니다.
ⓑ 자기력선간 간격이 좁을수록 자기장의 세기가 강합니다.
ⓒ 자기력선 임의 지점의 접선 방향은 그 지점에서의 자기장 방향으로 나침반의 N극(=빨간 자침)이 가리키는 방향과도 같습니다.
ⓓ 자기력선은 도중에 끊어짐없이 닫힌 곡선으로 구성되며, 서로 다른 자기력선끼리 교차하지 않습니다.
자석의 내부와 외부의 자기장 방향
우리는 의례적으로 자기장의 방향이 N극에서 S극을 향한다고 배웠는데요. 이 방향은 엄밀히 말하면 자석 외부에서만 유효합니다. 자석 내부에서는 S극에서 N극을 향하는 방향으로 자기력선이 그려집니다. 그 이유는 자기력선은 도중에 끊어지지 않는 닫힌 구조를 보이기 때문이죠.
두 자극이 가까이 있을 때의 자기력선 분포
2) 전기력 vs 자기력
전기력과 자기력은 비슷해 보입니다. 전기력을 매개하는 전하에는 +와 - 두 종류가 있듯이 자기력을 매개하는 자극 역시 N극과 S극 두 종류가 있죠.
전기력선은 +전하에서 나가는 방향이며, -전하로 들어오는 방향을 보입니다. 자기장 또한 N극에서 나가는 방향, S극으로 들어오는 방향을 보입니다.
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 없습니다. 다른 말로 자석의 N극과 S극은 절대 분리가 될 수 없어요. 자성을 띠는 물체에는 N극과 S극이 항상 짝을 지어 존재합니다.
2. 전류의 자기 작용
1) 자기장의 원인
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.
① 직선 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 B는 도선에 흐르는 전류의 세기 I에 비례하고, 도선으로부터 거리 r에 반비례합니다.
B ∝ I/r
자기장의 방향은 오른손을 이용하여 확인할 수 있습니다. 오른손 엄지손가락이 가리키는 방향을 전류가 흐르는 방향으로 세팅을 한 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.
원형도선 중심의 자기장 B ∝ I/r, r = 원형 도선의 반지름
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.
솔레노이드 내부의 자기장 B∝nI
솔레노이드 주변의 자기장 방향은 변형된 오른손 법칙으로 구합니다. 솔레노이드에 흐르는 전류의 방향으로 오른손의 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
전자석은 일반 자석 대비 자기장의 세기와 방향을 입맛에 맞게 바꾸기 쉽습니다. 솔레노이드에 흐르는 전류의 크기와 방향만 바꿔주면 되거든요. 이러한 전자석은 전자석 기중기나 MRI 촬영장치에 활용됩니다.
이와 같이 전류가 만들어 내는 자기장은 힘을 발생시켜 물체의 운동을 유도할 수 있으며, 이러한 원리는 전기 에너지가 다른 형태의 에너지로 전환되는 다양한 장치의 작동 원리로 이어집니다.
2) 전류의 자기 작용을 이용한 에너지 전환
전자기력의 방향
자기장 속에 놓인 도선에 전류가 흐르면 도선에는 전자기력이 작용하며, 이 힘의 방향은 전류의 방향과 자기장의 방향에 의해 결정됩니다. 오른손의 엄지를 전류의 방향, 네 손가락을 자기장의 방향으로 맞출 때, 손바닥이 향하는 방향이 도선이 받는 전자기력의 방향이 됩니다.
① 전동기
전동기에서는 자기장 속에 놓인 도선에 전류가 흐를 때 전류의 자기 작용으로 힘이 작용하고, 이 힘에 의해 도선이 회전하면서 전기 에너지가 운동 에너지로 전환됩니다.
② 스피커
스피커에서는 음성 정보가 전기 신호로 전환되어 코일에 전류가 흐르면 스피커의 자석과 코일 사이에 자기력이 작용합니다. 그 결과 진동판이 움직이면서 전기 에너지가 소리의 에너지로 전환됩니다.
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