자기장의 방향은 N극에서 나와 S극으로 들어가는 방향이다. 자기장의 모양을 선으로 나타낸 것을 자기력선이라 하고, 자기력선이 촘촘할수록 자기장이 세다.
01 · 자기장
자석은 보이지 않는 힘의 영역을 두른다
자석 주위에 작용하는 자기력이 미치는 공간을 자기장이라 한다.
● 막대 자석의 자기력선
N극 → S극 방향, 가운데가 가장 촘촘하다
FIELD LINES · 철가루 실험
철가루가 그려 주는 자기력선
막대자석 위에 종이를 덮고 철가루를 뿌리면, 보이지 않던 자기장이 모습을 드러낸다. 작은 철가루 하나하나가 작은 자석처럼 자기장 방향으로 정렬하면서, 자석의 N극에서 S극으로 이어지는 곡선이 자연스럽게 만들어진다.
자기력선이 가장 촘촘한 양 끝(N·S극) 부근에서 자기장이 가장 세다는 사실도 한눈에 보인다. 19세기 패러데이가 처음 이런 방식으로 자기장 개념을 그림으로 표현했다.
© Wikimedia Commons · CC BY-SA
02 · 전류가 만드는 자기장
외르스테드의 발견
전류가 흐르는 도선 주위에는 동심원 모양의 자기장이 만들어진다.
직선 도선
오른손 법칙: 엄지를 전류 방향으로, 네 손가락을 감는 방향이 자기장 방향.
코일 (솔레노이드)
전자석: 코일에 전류를 흘리면 막대자석처럼 작동. 전류를 끄면 자기장 사라짐.
전자석의 세기는 전류가 셀수록, 코일이 많이 감길수록, 안에 철심을 넣을수록 더 강해진다. 폐차장 크레인이 차를 들어 올리는 것이 바로 이 전자석을 이용한 것이다.
03 · 자기장 속의 전류가 받는 힘
전동기는 어떻게 돌까
자기장 속의 도선에 전류가 흐르면, 도선은 자기장과 전류 방향 모두에 수직인 방향으로 힘을 받는다.
● 자기장 속의 도선이 받는 힘
오른손 손바닥 법칙: 손바닥은 힘 F, 엄지가 전류 I, 네 손가락은 자기장 B
🔄
전동기
전기 → 운동
선풍기·세탁기·자동차
🔊
스피커
코일이 자기장 속에서 진동 → 소리
🚄
자기 부상
자기력으로 띄우고 추진
● 오른손 법칙 시뮬레이터 — 전류·자기장 방향 관계
DC MOTOR · 전동기 내부
전동기 속의 회전자 — 코일이 자석 사이에서 돈다
작은 DC 전동기를 분해하면 가운데에 회전자(코일이 감긴 철심)가 보인다. 그 주위에 영구 자석이 있어 자기장을 만든다.
코일에 전류가 흐르면 자기장 속에서 힘을 받아 회전한다. 그 방향이 반 바퀴마다 바뀌도록 정류자(commutator)가 전류 방향을 자동으로 뒤집어 — 그래서 한쪽 방향으로 계속 돌 수 있다. 선풍기·세탁기·드릴·전기차 모두 이 원리.
© Wikimedia Commons · CC BY-SA
★ 심화 · 전자기 유도
전자기 유도 — 자석을 움직이면 전류가 생긴다
1831년 영국의 패러데이(Faraday)는 거꾸로의 현상을 발견했다 — 코일 주위에서 자석을 움직이면 코일에 전류가 흐른다! 외부에서 전기를 공급하지 않았는데도 말이다.
자석을 코일 안에 넣었다 뺐다 하면 코일 안의 자기장이 변하고, 그 변화가 코일에 유도 전류를 흐르게 한다. 자석이 멈추면 전류도 멈춘다.
이 원리가 발전기·발전소·자전거 다이나모·인덕션 쿡탑·교통카드(NFC)·무선 충전기 등 거의 모든 전기 생산·전달 기술의 기반이다. 패러데이의 발견 하나가 산업혁명을 진정한 전기 시대로 이끌었다.
형성평가
맞춘 문제 0/ 3
Q1
막대자석 주위 자기력선의 방향으로 옳은 것은?
해설 · 자기력선은 자석 밖에서는 N극에서 나와 S극으로 들어간다.
Q2
전류가 흐르는 직선 도선 주위 자기장의 모양은?
해설 · 외르스테드의 발견. 직선 도선 주위에는 도선을 둘러싼 동심원 모양의 자기장이 형성된다.
Q3
전자석을 더 강하게 만드는 방법으로 옳지 않은 것은?
해설 · 코일 길이는 직접적인 자기력 세기 결정 요인이 아니다. 전류 세기·감은 수·철심 유무가 핵심.
핵심 정리
자기장
자기력이 미치는 공간
N → S 방향, 자기력선으로 표시
직선 도선
동심원 모양 자기장
오른손 법칙으로 방향 결정
코일 (전자석)
막대자석과 같은 자기장
전류 끄면 자력 사라짐
전동기
자기장 속 도선이 받는 힘
전기에너지 → 운동에너지