자기장#

자기장

자기장은 자석이나 전류에 의한 자기력이 미치는 공간이다.

  • 기호:
  • 단위: , 테슬라
  • 자기장의 방향은 자기장 속에 놓인 나침반의 N극이 가리키는 방향이다.
  • 자석의 외부에서 자기장의 방향은 N극에서 나와 S극으로 들어가는 방향이다.

자기력선

자기력선은 자기장을 시각적으로 나타낸 선이다.

  • 자기력선 위의 한 점에서 접선 방향은 그 점에서의 자기장 방향을 나타낸다.
  • 자기력선이 빽빽할수록 자기장이 세다.
  • 자기력선의 밀도가 클수록 자기장의 세기가 크다.
  • 자기력선은 서로 교차하지 않는다.
  • 자기력선은 중간에서 끊어지지 않고 연속적인 폐곡선을 이룬다.

자기선속

자기선속은 어떤 면을 통과하는 자기장의 정도를 나타내는 물리량이다.

  • 기호:
  • 단위: , 웨버

균일한 자기장과 면의 법선 방향 사이의 각을 라고 할 때 자기선속은 다음과 같다.

  • : 자기선속
  • : 자기장의 세기
  • : 면적
  • : 자기장과 면의 법선 사이의 각

자기장이 면에 수직으로 통과하는 경우에는 이므로 다음과 같다.

따라서

직선 전류에 의한 자기장#

직선전류에의한자기장

직선 도선에 전류가 흐르면 도선을 중심으로 동심원 모양의 자기장이 형성된다.

자기장의 방향은 오른손을 이용하여 찾을 수 있다.

오른손 엄지손가락을 전류의 방향으로 향하게 했을 때, 나머지 네 손가락이 감기는 방향이 자기장의 방향이다.

위 그림의 도선에서 전류 가 위쪽 방향으로 흐를 때,

  • 도선의 오른쪽에서는 자기장이 화면 안쪽 방향이다.
  • 도선의 왼쪽에서는 자기장이 화면 바깥쪽 방향이다.

직선 전류에 의한 자기장의 세기는 전류의 세기에 비례하고, 도선으로부터의 수직 거리에 반비례한다.

  • : 전류의 세기
  • : 도선으로부터의 수직 거리

따라서 전류가 클수록 자기장은 세지고, 도선에서 멀어질수록 자기장은 약해진다.

원형 전류에 의한 자기장#

원형전류에의한자기장

원형 도선에 전류가 흐르면 도선의 중심을 통과하는 방향으로 자기장이 형성된다.

자기장의 방향은 오른손을 이용하여 찾을 수 있다.

오른손의 네 손가락을 전류가 흐르는 방향으로 감았을 때, 엄지손가락이 가리키는 방향이 원형 도선 중심에서의 자기장 방향이다.

위 그림에서 전류 가 반시계 방향으로 흐르면 원형 도선 중심에서의 자기장은 화면 바깥쪽 방향이다.

원형 전류에 의한 중심에서의 자기장의 세기는 전류의 세기에 비례하고 도선의 반지름에 반비례한다.

  • : 전류의 세기
  • : 원형 도선의 반지름

따라서 전류가 클수록 자기장은 세지고, 원형 도선의 반지름이 클수록 중심에서의 자기장은 약해진다.

솔레노이드 전류에 의한 자기장#

솔레노이드전류에의한자기장

솔레노이드는 도선을 원통 모양으로 여러 번 감은 코일이다.

솔레노이드에 전류가 흐르면 내부에 막대자석과 비슷한 형태의 자기장이 형성된다.

자기장의 방향은 오른손을 이용하여 찾을 수 있다.

오른손의 네 손가락을 솔레노이드에 흐르는 전류의 방향으로 감았을 때, 엄지손가락이 가리키는 방향이 솔레노이드 내부의 자기장 방향이며 N극의 방향이다.

위 그림에서 앞쪽 도선의 전류가 위쪽 방향으로 흐르는 경우, 솔레노이드 내부의 자기장은 왼쪽 방향이다.

솔레노이드 내부 자기장의 세기는 단위 길이당 감은 수와 전류의 세기에 비례한다.

  • : 솔레노이드 내부의 자기장
  • : 단위 길이당 감은 수
  • : 전류의 세기

따라서 단위 길이당 도선을 많이 감을수록, 전류가 클수록 솔레노이드 내부의 자기장은 세진다.

자성체#

자성체는 물질이 외부 자기장에 반응하는 성질을 말한다.

자성체는 외부 자기장에 대한 반응에 따라 강자성체, 상자성체, 반자성체로 구분할 수 있다.

강자성

강자성

강자성은 외부 자기장에 의해 원자 자석들이 일정한 방향으로 정렬하여, 외부 자기장을 제거한 뒤에도 자석의 성질을 유지하는 성질이다.

강자성체에서는 원자 자석들이 같은 방향으로 정렬된 작은 영역이 존재하는데, 이를 자기구역이라고 한다.

외부 자기장이 없을 때에는 자기구역의 방향이 서로 달라 전체적으로 자성이 잘 드러나지 않을 수 있다.

그러나 외부 자기장을 가하면 자기구역들이 자기장 방향으로 정렬되어 자성이 강하게 나타난다.

상자성

상자성

상자성은 외부 자기장에 의해 원자 자석들이 부분적으로 일정한 방향으로 정렬하여 자기장이 증가하는 성질이다.

상자성체는 외부 자기장이 있을 때에는 자기장 방향으로 약하게 자기화된다.

그러나 외부 자기장을 제거하면 자석의 성질이 남지 않는다.

상자성체에는 자기구역이 없다.

반자성

반자성은 물질을 구성하는 원자들의 전체 자기장이 0이어서 원자 자석이 없는 상태에서, 외부 자기장을 가하면 물질 내부에 외부 자기장과 반대 방향의 자기장이 유도되는 성질이다.

반자성체는 외부 자기장에 대해 약하게 반대 방향으로 자기화된다.

외부 자기장을 제거하면 자성은 유지되지 않는다.

구분 강자성체 상자성체 반자성체
자기화 방향 외부 자기장과 같은 방향 외부 자기장과 같은 방향 외부 자기장과 반대 방향
자석과의 힘 인력 인력 척력
자기화 유지 O X X
예 철, 니켈, 코발트 알루미늄, 종이 구리, 물, 유리

전자기 유도#

전자기 유도는 코일을 통과하는 자기선속이 시간에 따라 변할 때 코일에 유도 기전력이 생기고, 회로가 닫혀 있으면 유도 전류가 흐르는 현상이다.

렌츠 법칙#

렌츠 법칙은 유도 전류의 방향이 코일을 통과하는 자기선속의 변화를 방해하는 방향으로 흐른다는 법칙이다.

렌츠법칙

자석이 솔레노이드 쪽으로 가까워지면 코일을 통과하는 자기선속이 증가한다.

이때 유도 전류는 자기선속의 증가를 방해하는 방향으로 자기장을 만든다.

반대로 자석이 솔레노이드에서 멀어지면 코일을 통과하는 자기선속이 감소한다.

이때 유도 전류는 자기선속의 감소를 방해하는 방향으로 자기장을 만든다.

따라서 자석의 운동 방향이 반대로 바뀌면 유도 전류의 방향도 반대로 바뀐다.

패러데이 법칙#

패러데이 법칙은 코일에 발생하는 유도 기전력의 크기가 단위 시간당 자기선속의 변화량과 코일의 감은 수에 비례한다는 법칙이다.

  • : 유도 기전력
  • : 코일의 감은 수
  • : 자기선속의 변화량
  • : 자기선속이 변하는 데 걸린 시간

음의 부호 는 유도 기전력에 의해 흐르는 전류가 자기선속의 변화를 방해하는 방향으로 생긴다는 렌츠 법칙을 의미한다.

자기장이 면에 수직으로 통과하는 경우 자기선속은 다음과 같다.

따라서 자기장의 세기 가 일정하고 면적이 변하는 경우에는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

ㄷ자형 레일 위를 움직이는 직선 도선#

ㄷ자형레일위를움직이는직선도선

위 그림에서 자기장의 방향은 N극에서 S극을 향한다.

레일 사이의 폭을 , 직선 도선이 이동한 거리를 라고 하면 도선이 이동하면서 변하는 면적은 다음과 같다.

패러데이 법칙에 의해 유도 기전력의 크기는 다음과 같다.

도선의 속력은 다음과 같다.

따라서 유도 기전력의 크기는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

직선 도선을 오른쪽으로 이동시키는 경우

직선 도선을 오른쪽으로 이동시키면 회로의 단면적이 증가한다.

따라서 회로를 통과하는 자기선속의 크기도 증가한다.

렌츠 법칙에 따라 유도 전류는 자기선속의 증가를 방해하는 방향으로 흐른다.

따라서 위 그림에서는 유도 전류가 반시계 방향으로 흐른다.

직선 도선을 왼쪽으로 이동시키는 경우

직선 도선을 왼쪽으로 이동시키면 회로의 단면적이 감소한다.

따라서 회로를 통과하는 자기선속의 크기도 감소한다.

렌츠 법칙에 따라 유도 전류는 자기선속의 감소를 방해하는 방향으로 흐른다.

따라서 위 그림에서는 유도 전류가 시계 방향으로 흐른다.

유도 기전력의 크기는 이동 방향과 관계없이 다음과 같다.