06. 전류의 자기 작용 - 1

1. 자기장

자석

이번에는 전류에 의해 발생하는 자기장에 대해서 다뤄보고자 한다. 자기장 (magnetic field)이란, 자기력(magnetic force)이 작용하는 공간을 의미하는데, 이를 이해하기 위해서는 자기력이 무엇인지를 알아야 한다. 자기력이란, 자석과 자석 사이에 작용하는 힘을 의미한다. 즉 이러한 힘이 존재하는 '공간'을 자기장 이라고 할 수 있겠다.

문제는 자기장은 눈으로 보이지 않는다는 것이다. 따라서 우리는 공부를 위해 편의상 자기장의 모습을 그려주어야 하는데, 그러한 선을 '자기력선' 이라고 한다. 자기력선을 그릴때는 몇 가지의 특징이 있다.

1) 항상 N극에서 나와 S극으로 들어간다.
2) 자기력선은 중간에 끊어지거나 교차할 수 없다.
3) 자기력선의 간격이 좁아지면 자기장이 세진다.

위의 자석이 자기력선 표기의 좋은 예이다. N극에서 뻗어나와 S극으로 들어가는 자기력선을 화살표와 함께 나타낸 것이다. N극에서 나와 S극으로 들어가며, 겹치거나 끊어질 수 없기 때문에 한 가지 재미있는 현상이 생긴다. 서로 다른 자기장을 가진 자석이 붙으면 어떻게 되는가?

항상 N극으로 나온다. 항상 S극으로 들어간다. 그렇기에 N극과 S극이 만나면 나오고 들어가는 방향이 된다. 즉 둘은 서로를 끌어당기는 '인력'이 작용하게 된다. 반면 동일한 극, 즉 N극과 N극 혹은 S극과 S극이 만나면 나오고 들어가는 방향이 서로 일치한다. 따라서 서로를 밀어내게 되고, '척력'이 작용하게 되는 것이다. 이것이 자석을 가까이 댈 때 어떤 때는 서로 붙고, 어떤 때는 서로 밀어내는 이유가 된다.

	N극	S극
N극	척력	인력
S극	인력	척력

 

2. 전류가 흐르는 도선 주위에 발생하는 자기장

자기장은 여러가지 상황에 대하여 발생할 수 있다. 심지어는 우리가 살아가는 터전인 지구조차 아주 거대한 자석에 속한다. 즉 극과 극 사이(남극과 북극이 되겠다)에서 자기장이 발생하고 있는 것이다.

한편 이러한 상황들 중 하나는 바로 전류가 흐르는 도선 위이다. 전류가 흐르는 도선은 그 주위에 자기장이 발생하는데, 이는 과학에서 매우 중요한 요소가 된다.

직선 도선에 의한 자기장 - 출처: 나무위키

전류가 흐르는 직선 도선을 나타낸 것이다. 이 도선의 전류가 흐르는 방향을 위라고 가정할 때, 그 주위에 발생하는 자기장은 왼쪽으로 동심원을 그리며 발생한다. 이를 우리는 편의상 오른손을 이용하여 상정할 수 있는데, 아래 그림과 같다.

자기장의 방향 - 출처: 나무위키

전류가 흐르는 방향은 엄지손가락, 그리고 이를 감아쥐는(왼쪽) 방향이 자기장이 흐르는 방향이 된다.
한편 직선 도선에 의한 자기장을 보면 흥미로운 사실을 하나 알 수가 잇는데, 그것은 중간중간의 위치에 나침반을 올려놓은 것이다. 자기장이 흐르는 곳에 나침반을 놓게 되면 나침반이 일정한 양상으로 배열하게 된다. 그 이유는 위에서 말했듯 자기장은 자석의 N극 방향에서 나와 S극으로 흘러 들어가기 때문이다. 이에 따라 나침반의 방향을 묻는 문제가 자주 출제되며, 우리는 이에 대해서 자세히 알아 둘 필요가 있다.

코일 주위의 자기장 - 출처: 금성출판사

한편 이러한 도선을 감은 것을 '코일' 이라고 하는데, 코일의 경우 매번 이렇게 오른손으로 잡아주기가 번거롭다. 이러한 경우에는, 네 개의 손가락을 전류의 방향에 맞추고, 이 때 엄지 손가락의 방향이 자기장의 방향이 된다. 매 순간순간은 다르지만, 각각의 순간이 모여 하나의 방향을 만드는 것이다.

 

Edited. 21.05.05