자석 주위의 자기장과 전류 주위의 자기장

자석 주위의 자기장

자석과 자석 사이에 작용하는 힘을 자기력(magnetic force)라고 하고, 자기력이 작용하는 공간을 자기장(magnetic field)이라고 합니다. 지구의 북극 근처에 S극이 있고 남극 부근에 N극이 있어 지구가 거대한 자석이라는 것은 누구나 알죠. 따라서, 지구는 거대한 자기장을 형성하는데 그렇기 때문에 나침반의 N극은 항상 북쪽을 가리키게 됩니다. 자기력의 방향은 누구나 알다시피 자석의 같은 극 사이에 서로 밀어내는 척력이 작용하고 다른 극 사이에는 끌어당기는 인력이 작용하죠. 자기장의 방향은 자석 주위에 놓은 나침반 바늘의 N극이 가리키는 방향이 됩니다. 그리고, 자기력선으로 눈에 보이지 않는 자기장의 모습을 나타내는데요, 자석의 N극에서 나와 S극으로 들어가며 도중에 끊어지거나 교차하지 않습니다. 나침반 바늘의 N극이 가리키는 방향이 자기장의 방향이자 자기력선의 방향이 되고 자기력선이 조밀할수록 자기장의 세기가 크다고 생각하면 됩니다. 자석에서는 양 극 주변이 선이 촘촘한 걸 보아 자기장이 세다는 것을 알 수 있습니다.

 

막대자석 주위의 자기장

막대자석 주위의 자기장, 이미지 출처: sciencefacts.net

 

위의 이미지를 보면 막대자석에서 자기장이 어떻게 형성되는지 시각적으로 확인할 수 있는데요, 자기력선이 자석의 외부에서 N극에서 나와서 S극으로 들어가죠. 그리고, 보이지는 않지만, 자석의 내부에서는 자기력이 S극에서 나와서 N극으로 들어갑니다. 또한 다른 극끼리는 서로 당기는(attraction) 자기력이 작용하면서 자기력선이 합쳐지게 되고, 같은 극끼리는 서로 밀어내는(repulsion) 자기력이 있으니 자기력선이 벌어지는 것을 확인할 수 있습니다.

 

말굽자석 주위의 자기장

 

말굽자석의 자기장, 이미지 출처: wikipedia.org

 

말굽자석(horseshoe magnet)은 말발굽의 모양, 즉 U자 모양을 하고 있는 자석입니다. 위의 이미지를 보면 막대자석은 막대 모양의 양 끝에 자석의 극이 위치한 것과 달리 N극과 S극이 가까이 위치해 있기 때문에 보다 강한 자기장이 형성이 되는데요, 역시 자기력선이 N극에서 나와서 S극으로 들어가는 것을 확인할 수 있습니다.

 

이제 자석 주위의 자기장에 대해서 기초적인 부분을 살펴보았으니 전류 주위의 자기장에 대해서 알아보겠습니다.

 

전류가 흐르는 전선 주위의 자기장

덴마크의 과학자 외르스테드(Hans Christian Oersted)는 전류가 흐르는 전선 주변에 자기장이 발생한다는 것을 발견하였습니다. 그리고, 이 현상은 직선 주위의 자기장, 원형 전선 주위의 자기장, 그리고 코일 주위의 자기장으로 분류할 수 있는데요, 이때 자기장의 방향이 어떻게 형성되는지를 알면 되겠습니다. 참고로, 코일(coil)은 나사 모양이나 원통 모양으로 전선을 여러 번 감은 것을 말하는 것으로 이를 솔레노이드(Solenoid)라고도 합니다. 그리고 전선과 도선은 혼재되어 사용될 수 있는 단어인데 같은 뜻으로 간주하여 이해하면 되겠습니다.

 

직선 전선 주위의 자기장

직선 전선으로 전류가 흐를 때 전선을 중심으로 동심원 모양의 자기장이 발생합니다. 동심원은 동심, 즉 중심이 같은 원들을 말합니다.

 

직선전선 주위의 자기장, 이미지 출처: sciencefacts.net

 

여기서 자기장의 방향을 아는 방법은 오른손의 엄지 손가락이 전류의 방향을 향할 때 나머지 네 손가락이 감아쥐는 방향이 자기장의 방향이 됩니다. 그리고 전선에 흐르는 전류의 세기가 셀수록, 전선의 형태가 직선에 가까울수록 자기장이 세게 형성되고, 도선에 가까울수록 자기장이 셉니다.

 

원형 전선 주위의 자기장

원형 전선의 중심에는 직선 모양의 자기장이 형성되고 나머지 부분에서는 곡선 모양의 자기장이 생깁니다. 혹시 방향이 조금 헷갈린다면 원형 전선을 직선으로 폈을 때를 떠올려보면 됩니다. 그러면 직선 전선 주위의 자기장 형성과 동일하다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것입니다.

 

원형전선 주위의 자기장, 이미지 출처: vedantu.com

 

직선 전선 주위의 자기장과 마찬가지로 오른손 엄지 규칙으로 이해를 하면 됩니다. 오른손의 엄지 손가락이 전류의 방향을 향하도록 하면 나머지 네 손가락이 감아쥐는 방향이 자기장의 방향이 되죠. 전선의 세기 역시 직선 전선 주위의 자기장과 마찬가지인데 전선에 흐르는 전류의 세기가 셀수록 자기장이 세게 형성됩니다. 그리고, 원형전선의 반지름이 작을수록 중심에서 자기장이 강하게 걸리고, 도선에 가까울수록 자기장의 세기가 셉니다.

 

코일 주위의 자기장 (Solenoid)

코일 주위에서는 내부에 직선 모양의 자기장이 형성되고, 외부에서는 막대자석 주위의 자기장과 비슷한 모양으로 자기장이 형성됩니다.

 

코일 주위의 자기장의 방향은 오른 손으로 확인 가능, 이미지 출처: wikipedia.org

 

자기장의 방향은 오른손의 네 손가락을 전류의 방향으로 감아쥐었을 때 엄지손가락이 가리키는 방향이 코일 내부에서 자기장의 방향이 됩니다. 위의 이미지는 코일 내부에 철심을 넣어서 전자석으로 만든 것입니다. 코일에 전류가 흐르는 동안 자석이 되는데요, 그림을 보면 오른손으로 코일을 전류의 방향으로 감아쥐었을 때 엄지 손가락의 방향이 코일 내부를 통과하는 자기장의 방향이 되죠. 그리고 이 엄지손가락의 방향이 N극이 됩니다. 코일 주위의 자기장은 전류의 세기가 셀수록, 코일을 촘촘하게 감을수록 그 세기가 커집니다.