전류와 자기장

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성취 기준

전류의 자기 작용을 이용하여 에너지를 전환하는 장치의 원리를 알고, 스피커와 전동기 등을 설계할 수 있다.

물리학 전개도

 

판서 조직도

 

보이지 않는 것의 힘

 

우리는 공기에게 감사하며 살고 있을까요? 공기는 눈에 보이지 않지만, 단 몇 분만 사라져도 우리는 살아갈 수 없습니다. 자기장도 마찬가지예요. 눈에 보이지 않고, 만질 수도 없고, 평소에는 느끼지도 못하지만 이미 우리의 삶 깊숙이 들어와 있습니다. 보이지 않는다고 해서 존재하지 않는 것도, 중요하지 않은 것도 아닙니다. 오늘의 물리학을 통해 바로 그런 보이지 않는 힘이 이해되고 활용되는 과정을 살펴보고, 더 나아가 보이지 않는 잠재력이 발전의 가능성으로 바뀌는 지혜를 배우게 됩니다.

 

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 끊어짐 없이 닫힌 곡선으로 구성되며, 서로 다른 자기력선끼리 교차하지 않습니다.

 

보이지 않는 길을 읽다.

 

자기장은 눈에 보이지 않습니다. 칠판 위에 그려진 자기력선은 이해를 돕기 위한 그림일 뿐, 우리는 실제 자기장을 본 적이 없어요. 그런데 이 보이지 않는 선을 따라 수천 킬로미터의 바다를 건너는 존재가 있습니다.

 

 

바다거북은 지구 자기장의 세기와 기울기의 미묘한 차이를 감지하며 자신이 가야 할 방향을 잡아갑니다. 마치 자기장으로 만들어진 지도를 읽는 것처럼 말이죠.

 

 

상어와 철새 또한 보이지 않는 자기장을 감지하며 이동합니다. 그렇다면 이들은 어떻게 자기장을 느끼는 걸까요? 한 가지 설명은 몸속에 아주 작은 자석이 존재할 가능성입니다. 일부 동물의 세포에는 자철석이 들어 있을 수 있는데, 자기장이 바뀌면 이 미세한 자석도 함께 방향을 바꾸려 합니다. 그 움직임이 신경을 자극하면서 뇌가 방향의 변화를 감지한다는 논리예요. 마치 몸 안에 작은 나침반 바늘이 들어 있는 것과 비슷합니다.

 

 

또 다른 설명도 있습니다. 철새의 경우에는 눈에 들어온 빛이 특정한 화학반응을 일으키고, 그 반응이 자기장의 방향에 따라 조금씩 달라질 수 있다는 것입니다. 다시 말해, 자기장이 눈의 반응에 영향을 주어 방향 정보를 만들어낼 수 있다는 설명이에요. 이처럼 우리는 보지 못하는 자기장을, 생명은 이미 감각으로 활용하고 있습니다. 

 

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

서로 같은 자극이 마주한 경우의 자기력선 분포

 

서로 다른 자극이 마주하는 경우의 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.

 

전기력선

 

자기력선

 

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

보이지 않는 것이 드러나다.

 

1820년, 덴마크의 한 교사가 학생들에게 전류의 열작용 실험을 보여주던 중 이상한 현상을 발견합니다. 주변에 자석이 없는데도 나침반 바늘이 움직이는 거예요. 더 놀라운 점은 전류가 흐를 때에만 바늘이 움직였다는 사실이었습니다. 이 교사가 바로 외르스테드예요. 그는 전류가 흐르면 도선 주위에 자기장이 만들어질 것이라고 추측했습니다. 이 발견은 전기와 자기라는 두 현상이 서로 연결되어 있다는 최초의 단서가 되었어요. 이후 프랑스의 과학자 앙페르는 이를 발전시켜 전류와 자기장의 관계를 수식으로 정리하였고, 전류가 만들어내는 자기장의 세기를 정량적으로 설명했습니다.

 

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.

직선 전류 주위에 뿌려진 철가루로 확인하는 자기장

 

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 

 

원형 전류 주위에 뿌려진 철가루로 확인하는 자기장

 

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 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. 

 

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 전류의 크기와 방향만 바꿔주면 되거든요. 이러한 전자석은 전자석 기중기나 MRI 촬영장치에 활용됩니다.

 

보이지 않는 힘을 쓰다.

 

MRI는 자기장을 이용해 인체의 내부를 읽어내는 의학 장비입니다. 자기장이 몸속의 길을 열어준 셈이죠. 하지만 자기장이 열어 준 길은 이게 처음이 아닙니다. 오래전, 인류는 바다 한가운데서도 길을 찾고자 했어요. 그때 사람들은 자기장이 북쪽을 가리킨다는 사실에 주목했고, 그 방향을 읽어내는 도구를 만들어 냈습니다. 그것이 바로 나침반이에요.

 

자기장은 방향을 알려주는 정보에 그치지 않았습니다. 전류가 만들어내는 자기장은 힘을 발생시켜 물체의 운동을 유도하고, 그 원리는 전동기와 같은 기계로 발전했습니다. 이로써 전기 에너지는 움직임이라는 다른 형태의 에너지로 전환되었고, 자기장은 동역학의 시대를 여는 핵심 원리가 되었습니다.

 

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.

 

보이지 않는 것을 드러나게 하는 태도 

 

전류와 자기장의 관계에 대한 발견은 한 교사의 작은 관찰에서 시작되었습니다. 그러나 그 관찰은 곧 여러 과학자들에게 공유되었고, 토론과 실험을 거치며 법칙으로 정리되었습니다. 발견이 축적되어 과학이 된 것이죠. 흥미로운 점은, 기술의 출발만 놓고 보면 유럽이 항상 앞선 것은 아니라는 사실입니다. 나침반과 화약, 인쇄술 같은 중요한 발명은 중국이 먼저 이루어 냈습니다. 그런데 산업혁명은 왜 유럽에서 시작되었을까요?

 

차이를 만든 것은 지식을 열어 두고 공유하며 축적하는 구조였습니다. 유럽에서는 발견이 빠르게 확산되고 과학 이론과 연결되었지만, 중국은 상대적으로 교류와 확장이 제한되는 환경 속에 있었습니다. 결국 문명의 방향을 바꾼 것은 기술 그 자체가 아니라, 지식을 다루는 태도였어요.

 

보이지 않는 것을 드러내는 태도는 과학자들만의 것이 아닙니다. 작은 관찰을 놓치지 않고, 그것을 기록하고 확장했기 때문에 과학은 발전했습니다. 여러분의 공부도 마찬가지예요. 다양한 교과를 경험하고, 새로운 분야에 도전하며, 배운 것을 기록하고 복기하는 과정 속에서 지식은 축적됩니다. 결국 차이를 만드는 것은 재능이 아니라, 보이지 않는 가능성을 끝까지 붙잡는 태도입니다.

 

0+0 - 한로로

https://www.youtube.com/watch?v=5aM0ZYSZM4c&list=RD5aM0ZYSZM4c&start_radio=1

 

영영 잃지 않을 태도

 

0과 0이 만나면 ‘영영’이라는 부사어가 되기도 하고, ∞라는 수학 기호가 되기도 합니다. 모두 영원을 뜻하는 상징이죠. 아무것도 아닌 것들의 만남 속에도 잠재력이 있다는 이야기처럼 들립니다. 이 노래는 연인에게 바치는 노래일 수도 있지만, 어쩌면 나 자신에게 바치는 노래일 수도 있겠다는 생각이 들었어요. 아직은 작아 보이는 나의 경험과 나의 질문 그리고 나의 기록들이 서로 만나고 축적되면 전혀 다른 의미가 될 수 있기 때문입니다.

 

그래서 저는 여러분이, 그리고 우리 모두가 자신을 ‘영영’ 잃지 않기를 바랍니다. 보이지 않는 미래 앞에서도 무한대의 가능성을 붙드는, 영영 잃지 않을 태도 속에서 말입니다. 한로로의 0+0을 들으며, 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.