[2015개정 물리학1] 전류가 만드는 자기장

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[2015 개정 물리학1] 자기장과 자기력선

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우리가 살고 있는 지구는 하나의 커다란 막대자석이다. 이러한 지구 주변에 생기는 자기장 덕분에 우리는 유해한 우주선과 태양풍으로부터 보호받을 수 있다. 아래 그림에서 확인할 수 있듯이 지구 자기장은 지구의 남극에서 나가고 지구의 북극으로 들어오는 방향을 가리킨다. 따라서 지구의 북극은 자석의 S극에 지구의 남극은 자석의 N극에 대응시킬 수 있다. 과거의 선조들은 지구 자기장의 존재를 몰랐지만 지구의 태생적 성질에 기인한 하나의 척도를 적절히 이용하여 드넓은 바다를 항해하며 문화와 지적 자산의 교환을 촉진하였다.

그렇다면 지구가 하나의 커다란 자석과 같은 이유는 무엇이며, 이러한 자석 주위에 자기장이 생기는 이유는 무엇일까? 도대체 자기장이라는 건 무엇일까? 자기적인 현상이 처음 발견된 이후 2000여 년간 이 질문에 대답을 아무도 하지 못했다. 그러나, 19세기 평범했던 한 과학 선생님이 이 대답에 대한 힌트를 발견하게 된다.

1. 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 까딱까딱 움직인다는 걸 확인한다. 더 이상한 점은 도선에 전류가 흐르는 순간에만 바늘이 까딱까딱 움직였다는 것이었다. 이 이상한 현상을 발견한 교사는 바로 외르스테드이다.

그는 나침반을 움직이게 하는 힘이 전류와 관련이 있지 않을까 추측한다. 그는 전류가 흐를 때 도선 주위에 자기장이 만들어지고 이 자기장에 의해 나침반의 바늘이 움직이는 게 아닐까 결론을 낸다. 이러한 외르스테드의 발견은 자기와 아무런 관련이 없다고 여긴 전기 현상이 자기장을 유도한다는 사실을 암시했다.

 

전류가 만드는 자기장 실험

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2. 직선 전류에 의한 자기장

 

 

전류가 흐르는 직선 도선 주위에는 직선 도선을 중심으로 한 동심원 모양의 자기장이 생긴다. 이 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 작아지는 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 

이때 자기장의 방향은 오른손을 이용하여 쉽게 확인할 수 있다. (무조건 오른손이어야만 함) 오른손 엄지손가락이 가리키는 방향을 전류가 흐르는 방향으로 세팅을 한 상태에서 네 손가락이 감싸지는 방향이 바로 자기장의 방향이다. 위의 그림에서는 도선을 위에서 아래로 내다봤을 때 네 손가락이 반시계 방향으로 감싸지므로 자기장의 방향은 반시계 방향이다.

3. 원형 전류에 의한 자기장

 

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.

 

 

 

4. 솔레노이드에 의한 자기장

솔레노이드는 원형 도선을 촘촘하고 균일하게 포개어놓은 기다란 형태다. 따라서 솔레노이드에 의한 자기장은 각각의 원형 도선에 흐르는 전류에 의한 자기장이 합쳐진 결과로 봐도 상관없다. 즉, 위의 그림과 같이 솔레노이드 내부에는 나란하고 균일한 세기의 자기장이 생기고, 솔레노이드 외부엔 들어가고 나가는 방향의 자기장이 생긴다. 솔레노이드가 만드는 자기력선 분포는 막대자석이 만드는 자기력선 분포와 비슷하다.

 

솔레노이드 주변의 자기장 방향을 알고 싶을 때 일일이 각각의 원형도선에 오른손 법칙을 적용해서 합성하면 되는데, 솔직히 번거롭지 않나?

 

그래서 약간 변형된 오른손 법칙을 사용한다. 솔레노이드에 흐르는 전류의 방향으로 네 손가락을 감싸면 그때 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. 단위 길이당 도선을 감은 횟수(n)은 솔레노이드를 전체적으로 감은 횟수(N)을 전체 길이(L)로 나누어 구한다. 따라서 N과 n은 엄연히 다르기 때문에 구분을 해야만 한다.

B∝nI

도선 주위에 철가루를 뿌리면 도선 주위에 생기는 자기장의 경향을 눈으로 쉽게 확인할 수 있다.

과학자들은 전류가 자기장을 만든다는 사실을 통해 자석과 지구를 비롯한 여러 가지 물질이 가지는 자기적 성질을 전류와 관련지어 생각하기에 이르렀다.

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[2015개정 물리학1] 물질의 자성 1편