07. 전류의 자기 작용 - 2

지난 시간에는 도선에 전류가 흐를 때 도선 주위에 생기는 자기장에 대해서 다뤄보았다. 이번 시간에는 이러한 이야기를 더하여 자기장에서 전류가 받는 힘, 즉 '자기력(magnetic force)'에 대해서 다뤄보고자 한다.

전류가 흐르는 직선 도선이 있고, 그 주위에 영구자석이 하나 있다고 생각해 보자. 지난시간에 다뤘듯, 도선에 전류가 발생하였을 때, 그 전류를 중심으로 자기장이 생기게 되며, 이 자기장은 N극에서 S극의 방향으로 이동한다고 하였다.
이 떄, 이러한 자기장의 방향에 '수직'한 방향으로 하나의 힘이 발생하게 되며, 이를 '자기력' 이라고 한다.

자기장에서 전류가 받는 힘의 방향 - 출처: 비상교육

위 그림은 자기력 발생의 예시이다. 손바닥으로 확인하는 것이 가장 직관적일 것이다. 전류의 방향을 제일 먼저 잡고, 자기장의 방향(N→S)을 손가락으로 잡는다. 이때 손바닥이 위로 가는지 아래로 가는지에 주의한다. 이 방향에서, 손바닥 위로 수직한 방향이 바로 자기력의 방향이 된다.

이러한 자기력의 크기는 어떠한 경우에 강해질까. 다음의 두 가지에 따른다.

1. 전류의 세기가 강할수록, 자기장의 세기가 강할수록 자기력은 강해진다. (전류와 자기장의 세기에 비례한다.)
2. 전류와 자기장의 방향이 수직일 때 힘의 크기가 가장 크며, 평행일 때는 힘을 받지 않는다.

평행일 때 힘을 받지 않는 이유에 대해서는 중학 과학의 수준을 아득히 넘어가기 때문에, 여기서는 다루지 않겠다. 여하튼, 이 두 가지 경우를 잘 기억해 두길 바란다.

한편 이러한 힘을 이용하는 예시 중 하나인 전동기를 보도록 하자.

전동기 모식도 - 출처: 비상교육

위는 전동기의 모식도이다. 우선 전류의 방향에 주목해야 한다. 다시 말하지만, 자기력에 대해 논해야 할 때는 세 가지 순서로 간다.

1. 전류의 방향 (엄지손가락이 된다)
2. 자기장의 방향 (N→S)
3. 자기력의 방향 (손바닥면 수직방향)

이 상태로 위 그림을 해석해 보자.

먼저 A-B 구간이다. 이 구간에서는 엄지손가락이 위쪽으로 가며, 이때 N극에서 S극은 오른쪽 방향이므로, 손바닥은 '아래'를 향해야 한다. 이에 대해 잘 이해가 되지 않는다면, 위의 오른손 그림을 다시 한번 숙지하기 바란다. 따라서 자기력의 방향은 아래가 된다.

다음은 B-C 구간이다. 이 구간은 자기장의 방향과 전류의 방향이 평행이므로, 작용하는 자기력은 0이다. 이는 D-A 구간도 마찬가지다. 물론 현재 D-A구간은 없다.

마지막으로 C-D 구간이다. 이 구간은 엄지손가락이 아래 방향으로 가며, 이 떄의 손바닥면은 위를 향하게 된다(N→S). 따라서 자기력의 방향은 위쪽이 된다.

결론적으로 A-B 구간에서는 아래로, C-D 구간에서는 위로 회전하므로, 이 전동기는 '반시계 방향'으로 회전하게 된다. 회전 방향 역시 자주 물어보는 소재이므로, 잘 기억해 두자.

Edited 21.08.24