[기초물리] 3-3 전기와 자기(전자기유도)

도선에 전류를 흘려 주면 근처에 놓인 나침반의 자침이 움직이는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 도선에 전류가 흐르면 그 주위에 자기장이 생겨 그 영향으로 나침반의 자침이 움직이기 때문입니다. 전 포스트에서 전기장, 자기장에 대해 배웠는데 이번 포스트는 이 둘의 관계에 대해 이야기 하려고 합니다.

직선 도선에 전류가 흐르면 그 쥐위에 도선을 중심으로 동심원 모양의 자기장이 생깁니다. 여러 나침반을 두어 자기장의 방향을 살펴보면 전류의 방향으로 오른나사를 진행시킬 때 나사가 돌아가는 방향입니다. 오른손의 엄지손가락을 네 손가락과 수직이 되도록 편 다음 전류의 방향으로 엄지손가락을 향하게 하고 나머지 네 손가락으로 도선을 감아쥐었을 때 네 손가락이 감기는 방향이 자기장의 방향입니다. 이것이 앙페르의 법칙입니다.

직선 전류에 의한 자기장의 세기는 도선에 흐르는 전류의 세기에 비례하고 도선으로부터 거리에 반비례합니다.

이번엔 곡선 도선을 살펴보겠습니다. 원형 도선에 전류가 흐르면 주위에 자기장이 생기는데 이때 원의 중심에서 자기장의 방향은 원을 뚫고 지나가며 도선에 가까이 갈수록 도선을 중심으로 원 모양을 이룹니다. 이때도 엄지손가락을 전류의 방향으로 하여 굽어진 각 부분을 네 손가락으로 감아쥘 때 손가락이 감기는 방향이 자기장의 방향입니다. 원형 전류의 자기장 세기는 전류의 세기에 비례하고 도선이 만드는 원의 반지름에 반비례합니다.

이 원형 도선을 여러 번 감으면 솔레노이드(solenoid)가 됩니다. 솔레노이드에서는 자기장의 방향은 단일 도선과 약간 다릅니다. 오른손의 네 손가락 끝이 전류의 방향을 가리키도록 코일(도선을 여러 번 감은 선=솔레노이드)을 감아쥔 다음 엄지손가락을 직각으로 뻗으면, 엄지손가락이 가리키는 방향이 자기장의 방향이 됩니다. 즉, 엄지손가락 방향으로 자기력선이 지나고 엄지손가락이 가리키는 쪽이 자석의 N극에 해당합니다. 솔레노이드 내부의 자기장은 균일하고 중심축에 평행한 방향의 자기장이 되고 외부는 길이와 굵기가 같은 막대 자석이 만드는 자기장과 비슷한 자기장을 만듭니다. 이때 자기력선이 솔레노이드로 들어가는 쪽은 자석의 S극에 해당하고 자기력선이 나오는 쪽은 자석의 N극에 해당합니다. 이는 전기를 활용하여 막대 자석을 만든 것과 같습니다.

솔레노이드 내부 자기장 세기는 전류의 세기와 단위 길이당 도선의 감은 수에 비례합니다.

솔레노이드를 활용해서 전기를 자석으로 만들었습니다. 반대로 영국의 과학자 패러데이와 미국의 헨리는 코일(솔레노이드)과 자석을 이용한 실험을 하던 중 자석이나 코일을 움직여 처음으로 회로에 전류가 흐르는 현상을 발견하였습니다. 코일과 자석이 상대적으로 운동하면 전류가 발생하고, 속력이 빠를수록 전류가 더 많이 발생합니다. 이와 같이 전류가 유도되는 현상을 전자기 유도(electromagnetic induction)라 하고 코일 양단에 발생된 기전력을 유도 기전력이라고 합니다. 코일의 회로가 닫힌 경우에는 유도 기전력에 의해 전류가 흐르게 되며 이것을 유도 전류라고 합니다. 유도 전류의 방향은 닫힌 회로를 지나는 자기력선속이 변하는 것을 방해하는 방향으로 흐릅니다. 이를 렌츠 법칙이라고 합니다.

그림과 같이 자석의 N극을 코일에 가까이 가져가면 코일을 지나는 자기력선속이 증가하게 됩니다. 이때에는 자기력선속의 증가를 방해하도록, 즉 아래쪽에서 위쪽으로 자기력선속이 지나도록 코일에 유도 전류가 흐릅니다. 유도 전류의 세기는 자석과 코일의 상대 운동 속력이 빠를수록 세집니다.

패러데이는 전자기 유도 현상에서 코일 또는 자석의 운동 속력을 빠르게 하거나 강한 자석을 사용하면 같은 시간 동안에 코일을 지나는 자기장(자기력선속)의 변화가 커지게 되고 또한 코일의 감은 수를 증가시켜도 큰 유도 기전력이 나타나는 것을 발견했습니다. 즉, 코일 속을 지나는 자기력선속의 시간적 변화율에 비례하고 코일의 감은 수에 비례한다는 것이 패러데이의 전자기 유도 법칙입니다.

여기서 (-)부호는 유도 전류가 코일을 관통하는 자기력선속의 변화의 반대 방향으로 흐른다는 렌츠 법칙을 의미합니다.