전류에 의한 자기장
(1) 자석 주위의 자기장
① 자기력: 자석 사이에 작용하는 힘을 자기력이라고 한다. 자석의 N극과 N극, S극과 S극 사이에는 서로 밀어내는 방향으로 자기력이 작용하고, 자석의 N극과 S극 사이에는 서로 끌어당기는 방향으로 자기력이 작용한다.
② 자기장: 자석 주위에 다른 자석을 놓으면 자기력이 작용한다. 자석이나 전류가 흐르는 도선 주위에 자기력이 작용하는 공간을 자기장이라고 한다.
- 자기장의 방향: 자침의 N극이 가리키는 방향이 자침이 놓인 지점에서 자기장의 방향이다.
- 자기장의 세기: 자석의 자극에 가까울수록 자기장의 세기가 세다.
③ 자기력선: 자기장 내에서 자침의 N극이 가리키는 방향을 연속적으로 연결한 선이다.
④ 자기력선의 특징
- 자석의 N극에서 나와서 S극으로 들어가는 폐곡선이다.
- 서로 교차하거나 도중에 갈라지거나 끊어지지 않는다.
- 자기력선 위의 한 점에서 그은 접선 방향이 그 점에서 자기장의 방향이다.
- 자기장에 수직인 단위 면적을 지나는 자기력선의 수(밀도)는 자기장의 세기에 비례한다.
⑤ 자석 주위의 자기력선
- 다른 극 사이에는 서로 끌어당기는 방향으로 자기력선이 분포하고, 같은 극 사이에는 서로밀어내는 방향으로 자기력선이 분포한다.
- 자석의 끝부분에서 자기력선의 밀도가 크다.
(2) 직선 전류에 의한 자기장: 직선 도선에 전류가 흐르면 도선 주위에 도선을 중심으로 하는동심원의 자기장이 형성된다.
① 자기장의 세기: 전류의 세기가 클수록 세고, 전류가 흐르는 도선으로부터의 거리가 멀수록 약하다.
② 자기장의 방향: 직선 전류가 흐르는 방향으로 오른손의 엄지손가락을 향하게 하면 직선 전류에 의한 자기장의 방향은 나머지 네 손가락이 도선을 감아쥐는 방향이다.
⇨ 이를 앙페르 법칙이라고 하며, 앙페르 법칙은 오른나사의 진행 방향을 전류의 방향으로 할 때 자기장의 방향이 나사가 회전하는 방향과 같아 오른나사 법칙이라고 한다. 따라서 앙페르 법칙은 오른나사 법칙과 같은 의미로 사용한다.
(3) 원형 전류에 의한 자기장: 원형 도선에 흐르는 전류가 만드는 자기장은 작은 직선 도선이만드는 자기장의 합으로 생각할 수 있다.
① 원형 전류 중심에서 자기장의 세기: 전류의 세기가 클수록 세고, 반지름이 클수록 약하다.
② 원형 전류 중심에서 자기장의 방향: 전류의 방향으로 오른손의 엄지손가락을 향하게 하면 자기장의 방향은 나머지 네 손가락이 도선을 감아쥐는 방향이다.
(4) 솔레노이드에서 전류에 의한 자기장: 도선을 촘촘하고 균일하게 원통형으로 감은 것을 솔레노이드라고 하며, 원형 도선을 여러 개 겹쳐 놓은 것과 같다.
① 솔레노이드 내부에서 자기장의 세기: 무한히 긴 솔레노이드 내부의 자기장은 균일하며, 전류의 세기가 클수록, 단위 길이당 도선의 감은 수가 많을수록 세다.
② 솔레노이드 내부에서 자기장의 방향: 오른손의 네 손가락을 전류의 방향으로 감아쥘 때 엄지 손가락이 가리키는 방향이다.
(5) 전류에 의한 자기장의 이용
① 전자석: 코일 내부에 철심을 넣어 코일에 전류가 흐를 때 자석의 성질을 갖게 한 것을 말한다.
- 전자석의 원리: 영구 자석과 달리 전류의 세기를 조절하여 자기장의 세기를 조절할 수 있고, 전류의 방향을 반대 방향으로 하면 자석의 극도 바꿀 수 있다. 센 전자석을 만들려면 코일에 센 전류를 흘려보내야 하고, 코일을 촘촘히 감아야 한다.
- 전자석의 이용: 전자석 기중기, 스피커, 자기 부상 열차, 초인종, 도난 경보 장치 등
② 전동기: 전류의 자기 작용을 이용하여 회전 운동을 하는 장치이다.
- 전동기의 원리: 자석 사이에 있는 코일에 전류가 흐를 때 자석과 코일 사이에 작용하는 자기력에 의해 코일이 회전하게 되며, 코일의 면이 자기장에 수직이 되는 순간 정류자에 의하여 전류의 방향이 바뀌므로 코일은 계속 한 방향으로 회전한다. 또한, 전류의 방향을 바꾸면 코일의 회전 방향도 바뀌게 된다.
- 자기력의 크기: 코일의 감은 수가 많을수록, 코일에 흐르는 전류의 세기가 클수록 코일이 큰 힘을 받는다.
- 전동기의 이용: 선풍기, 세탁기, 믹서기, 진공청소기, 헤어드라이어, 엘리베이터, 에스컬레이터, 전기 자동차, 전동 열차 등 각종 전기 제품에 기본적인 부품으로 이용된다.
③ 전류의 자기 작용을 이용한 다양한 예
물질의 자성
(1) 자성: 물질이 가지는 자기적인 성질을 자성이라고 한다. 물질을 구성하는 원자 내부의 전자의 운동은 전류가 흐르는 효과를 나타낼 수 있으므로 원자 하나하나가 자석의 성질을 가질 수 있다. 따라서 전자의 궤도 운동과 스핀에 따라 물질의 자성이 달라진다.
(2) 원자 내부 전자의 운동과 자성
① 전자의 궤도 운동에 의한 자기장: 그림과 같이 원형 고리에 전류가 흐를 때 고리의 중심에서는 아래 방향으로 자기장이 형성된다. 전자가 원자핵 둘레를 시계 반대 방향으로 회전하면 전류는 시계 방향으로 흐르므로, 회전 중심에서 자기장의 방향은 전자의 궤도면에 수직인 아래 방향이 된다.
② 전자의 스핀에 의한 자기장: 전자의 궤도 운동 외에 전자는 원자가 자성을 갖는 데 기여하는 스핀이라는 고유 성질을 가지고 있다.
(3) 자기화(자화): 외부 자기장에 의하여 물질 내부의 원자가 나타내는 자기장의 배열이 바뀌어물질 전체가 자석의 성질을 갖게 되는 것을 자기화라고 한다.
(4) 물질의 자성: 자석에 강하게 끌리는 성질을 강자성, 자석에 약하게 끌리는 성질을 상자성,자석에 약하게 밀리는 성질을 반자성이라고 한다.
(5) 자성체의 종류
① 강자성체: 외부 자기장의 방향과 같은 방향으로 자기화되는 비율이 높으며, 외부 자기장을제거하여도 자성을 오래 유지하는 물질을 강자성체라고 한다.
⇨ 철, 코발트, 니켈 등
② 상자성체: 외부 자기장의 방향과 같은 방향으로 자기화되는 비율이 낮으며, 외부 자기장을제거하면 자성이 없어지는 물질을 상자성체라고 한다.
⇨ 종이, 알루미늄, 마그네슘, 텅스텐, 산소 등
③ 반자성체: 외부 자기장이 없을 때 물질을 구성하는 각 원자들의 총 자기장이 0이고, 외부 자기장의 방향과 반대 방향으로 자기화되는 물질을 반자성체라고 한다.
⇨ 구리, 유리, 플라스틱, 금, 수소, 물 등
(6) 자성체의 이용
전자기 유도
(1) 유도 전류
① 자기 선속(Φ): 자기 다발이라는 의미이며, 자기장에 수직인 단면을 지나는 자기력선의 수에비례한다. 단위는 Wb(웨버)를 사용한다.
② 자기장의 세기(B): 자기장에 수직인 단위 면적을 통과하는 자기 선속을 자기장의 세기라고 한다. 자기장에 수직이고 면적이 S인 단면을 통과하는 자기 선속이 Φ일 때 자기장의 세기 B는 다음과 같다.
③ 전자기 유도: 코일 내부를 통과하는 자기 선속이 변할 때 코일에 전류가 흐르는 현상이다.
④ 유도 기전력: 전자기 유도에 의하여 발생하는 전압이다.
⑤ 유도 전류: 전자기 유도에 의하여 흐르는 전류이다.
(2) 렌츠 법칙: 전자기 유도가 일어날 때 자기 선속의 변화에 따른 유도 전류의 방향을 찾는 법칙이다. 자기 선속의 변화를 방해하는 방향으로 유도 전류에 의한 자기장이 형성되도록 유도 전류가 흐른다.
① 그림 (가): 자석의 N극이 원형 도선에 가까워지면 원형 도선 중심에 아래 방향의 자기 선속이 증가한다. 따라서 아래 방향의 자기 선속이 증가하는 것을 방해하려면 유도 전류에 의한 자기장이 위 방향이 되어야 하므로, 원형 도선에는 시계 반대 방향으로 유도 전류가 흐른다.
② 그림 (나): 자석의 N극이 원형 도선에서 멀어지면 원형 도선 중심에 아래 방향의 자기 선속이 감소한다. 따라서 아래 방향의 자기 선속이 감소하는 것을 방해하려면 유도 전류에 의한 자기장이 아래 방향이 되어야 하므로, 원형 도선에는 시계 방향으로 유도 전류가 흐른다.
③ 그림 (다): 자석의 S극이 원형 도선에 가까워지면 원형 도선 중심에 위 방향의 자기 선속이 증가한다. 따라서 위 방향의 자기 선속이 증가하는 것을 방해하려면 유도 전류에 의한 자기장이 아래 방향이 되어야 하므로, 원형 도선에는 시계 방향으로 유도 전류가 흐른다.
④ 그림 (라): 자석의 S극이 원형 도선에서 멀어지면 원형 도선 중심에 위 방향의 자기 선속이 감소한다. 따라서 위 방향의 자기 선속이 감소하는 것을 방해하려면 유도 전류에 의한 자기장이 위 방향이 되어야 하므로, 원형 도선에는 시계 반대 방향으로 유도 전류가 흐른다.
(3) 패러데이 법칙
① 유도 기전력의 크기는 코일 내부를 지나는 자기 선속(Φ)이 빠르게 변할수록 크다.
② 패러데이 법칙: 시간 Δt 동안 감은 수가 N인 코일을 통과하는 자기 선속의 변화가 ΔΦ이면 유도 기전력 V는 다음과 같다.
위 식에서 (-)부호는 유도 기전력의 방향이 자기 선속의 변화를 방해하는 방향이라는 의미를 가지므로, 패러데이 법칙은 렌츠 법칙을 포함한다.
(4) 전자기 유도의 이용 예
① 발전기: 자석 사이에 코일을 넣고 회전시키면 자기장에 수직 방향인 코일의 단면적이 변하므로 코일 내부를 통과하는 자기 선속이 계속 변하여 코일에 유도 전류가 흐른다.
② 마이크: 소리에 의해 진동판이 진동하면 코일이 진동하고, 코일을 통과하는 자기 선속이 변하여 유도 전류가 흐른다.
③ 교통 카드: 교통 카드 가장자리에는 코일이 감겨 있어 단말기의 변하는 자기장이 교통 카드의 코일에 유도 전류를 흐르게 하고, 이 전류에 의해 마이크로 칩이 작동하여 요금이 계산된다.
④ 무선 충전: 충전 패드의 1차 코일에 변하는 전류가 흘러 스마트폰 내부의 2차 코일을 통과하는 자기 선속이 시간에 따라 변하면 2차 코일에 유도 전류가 흘러 스마트폰이 충전된다.
⑤ 금속 탐지기: 탐지기의 전송 코일에서 발생한 자기장이 금속을 통과하면 자기장의 변화가생기고, 이를 탐지기의 수신 코일이 감지하여 유도 전류를 발생시켜 금속을 탐지하게 된다.
⑥ 전기 기타: 영구 자석에 의해 자기화된 기타 줄이 진동하면 기타 줄 아래에 있는 코일을 통과하는 자기 선속이 변하여 코일에 유도 전류가 흐르게 되고, 이 전기 신호를 증폭하여 스피커로 보내면 소리가 난다.
⑦ 발광 바퀴: 바퀴가 회전하면서 코일을 감은 철심이 바퀴의 축에 고정된 영구 자석 주위를 회전하면, 코일을 통과하는 자기 선속의 변화로 유도 전류가 흘러 발광 다이오드가 켜진다.
⑧ 도난 방지 장치: 출입구의 기둥 속에 코일이 들어 있어 자성을 제거하지 않은 채 물건을 가지고 나가면 코일에 유도 전류가 흘러 경고음이 발생한다.
⑨ 전자펜: 자기장이 형성된 태블릿 컴퓨터의 표면을 따라 전자펜을 움직이면 전자펜 안에 있는 코일에 유도 전류가 흘러 전자펜의 움직임을 인식한다.
참고자료: EBS 수능특강 물리1
