자기장과 자기력선
(1) 자기장: 자석 주위에 쇠붙이나 다른 자석을 가까이하면 서로 당기거나 미는 힘이 작용하는데 이렇게 자석이 다른 물체와 상호 작용 하는 힘을 자기력이라 하고, 자기력이 미치는 공간을 자기장이라고 한다.
(2) 자기력선: 그림과 같이 막대자석 주위에 철가루를 뿌렸을 때, 자석 주위에 배열된 철가루의 모양으로 자기력선을 관찰할 수 있다. 자기력선은 나침반 자침의 N극이 가리키는 방향을 연속적으로 이은 선으로, 자기력선이 조밀한 곳일수록 자기장의 세기가 크다.
(3) 자기력선의 특징
① 자석의 N극에서 나와서 S극으로 들어가는 단일 닫힌 곡선이다.
② 서로 교차하거나 도중에 갈라지거나 끊어지지 않는다.
③ 자기력선 위의 한 점에서 그은 접선 방향이 그 점에서 자기장의 방향이다.
④ 같은 극과 다른 극 사이에서의 자기력선은 다음과 같다.
직선 전류에 의한 자기장
(1) 전류의 자기 작용의 발견: 외르스테드는 전류가 흐르는 도선 주위에 놓인 자침이 움직이는 것으로부터 전류에 의해 자기장이 발생한다는 결론을 도출하였다.
(2) 자기장의 세기: 전류가 흐르는 무한히 긴 직선 도선 주위에 만들어지는 자기장의 세기 B는 전류의 세기 I에 비례하고, 도선으로부터의 거리 r에 반비례한다.
(3) 자기장의 방향: 무한히 긴 직선 도선에 전류가 흐르면 도선을 중심으로 동심원 모양의 자기장이 만들어진다. 자기장의 방향은 오른손의 엄지손가락을 전류의 방향으로 향하게 할 때나머지 네 손가락으로 감아쥐는 방향이다. 이것을 앙페르 법칙 또는 오른나사 법칙이라고 한다. 이는 오른나사가 전류의 방향으로 진행할 때 나사가 회전하는 방향과 일치한다.
(4) 나란한 두 직선 도선에 전류가 흐를 때 자기력선의 모양: 세기가 같은 전류가 흐르는 두직선 도선이 종이면에 수직으로 고정되어 있는 경우 각각의 도선에 흐르는 전류에 의한 자기장이 서로 중첩된다. 이때 도선 주위에서 자기력선의 모양은 그림과 같다.
원형 전류에 의한 자기장
(1) 자기장의 모양: 원형 도선의 각 부분을 직선 도선으로 생각하면 도선 근처에서 원 모양이지만 도선에서 멀어지면 타원 모양이 되다가 도선의 중심에서는 직선 모양이 된다.
(2) 자기장의 세기: 원형 전류 중심에서 자기장의 세기는 전류의 세기 I에 비례하고, 도선이 만드는 원의 반지름 r에 반비례한다.
(3) 자기장의 방향: 원형 도선에 전류가 흐르면 원형 도선 중심에 생성되는 자기장의 방향은 오른손의 엄지손가락을 전류의 방향으로 향하게 하고 나머지 네 손가락으로 도선을 감아쥘 때 네 손가락이 향하는 방향이다.
솔레노이드에 의한 자기장
(1) 자기장의 모양: 긴 원통에 원형 도선을 촘촘하고 균일하게 감은 것을 솔레노이드라고 하며, 원형 도선을 여러 개 포개놓은 것과 같다. 솔레노이드 내부에는 축에 나란하고 균일한 자기장이 형성되며, 솔레노이드 외부에는 막대자석이 만드는 자기장과 비슷한 모양의 자기장이 형성된다.
(2) 자기장의 세기: 솔레노이드 내부에는 균일한 자기장이 형성된다. 이때 솔레노이드 내부에서 자기장의 세기는 전류의 세기 I에 비례하고, 단위 길이당 도선의 감은 수 n에 비례한다.
(3) 자기장의 방향: 전류가 흐르는 방향으로 오른손 네 손가락을 감아쥐고 엄지손가락을 세울때, 엄지손가락의 방향이 솔레노이드 내부에서의 자기장의 방향이다.
(4) 솔레노이드에 의한 자기장의 특징
① 막대자석에 의한 자기장과 모양이 비슷하다.
② N극과 S극을 이용해 자기장을 생각하면 편리하다.
③ 내부에 균일한 자기장이 만들어진다.
(5) 전자석: 솔레노이드를 이용해 강한 자기장을 만들기 위해서는 전류의 세기를 크게 하거나원통에 도선을 많이 감아야 하는데, 이러한 방법들은 도선의 저항 때문에 많은 열이 발생한다. 그러나 도선 안쪽에 철심을 넣으면 도선만 감았을 때보다 매우 강한 자기장을 얻을 수 있기 때문에, 전자석은 솔레노이드 도선 안쪽에 철심을 넣어 만든다.
전자석은 도선에 흐르는 전류의 세기를 조절하여 자기장의 세기를 조절할 수 있으므로, 폐차장에서 무거운 쇠붙이를 들어 올릴 때나 각종 전기 기구에 다양하게 쓰인다.
예) 자기 공명 영상(MRI) 장치: 의료 장비 중 하나로, 솔레노이드에서 강한 자기장을 발생시키면 이 자기장이 인체 속 물 분자의 수소 원자핵을 공명시켜 얻은 신호를 영상으로 나타낸다.
참고자료: EBS 수능 특강 물리2
