자기장

자기장은 무엇인가요

자석이 남북 방향을 가리키는 것은 지구 주위에 자기장이 만들어져 있기 때문이에요. 한국민족문화대백과사전은 자기장을 자석이 받는 힘을 체계적으로 설명하려고 만든 추상적 개념이라고 소개해요. 자석은 철을 끌어당기는 돌이라는 뜻으로, 자연에 있는 자철광의 특성에서 나온 말로 짐작돼요.

자기장의 방향은 자기장 안에 놓은 나침반이 가리키는 방향과 같아요. 자기장의 방향을 연속해서 이은 선, 곧 자기력선의 간격이 촘촘할수록 자기장의 세기가 커요.

자기장은 전류와 어떤 관계가 있나요

전류 주위에는 자석을 움직일 수 있는 자기장이 일정한 방향으로 생겨요. 전류가 시간에 따라 변하는 정도와 자기장의 세기는 서로 관련이 있어요. 반대로 자기장이 시간에 따라 변하면 전류를 흐르게 할 수 있는 전기장이 생겨요. 이 관계를 수학 식으로 정리한 것이 맥스웰 방정식이고, 1860년대에 완성된 이 식을 바탕으로 많은 전기 회로가 설계되고 실용화됐어요.

고전적으로 자기장은 움직이는 전하, 즉 전류에 의해 생기지만 양자역학에서는 입자가 고유하게 지닌 스핀도 전류와 같은 역할을 할 수 있어요. 그래서 강자성체가 영구적인 자성을 가질 수 있어요. 20세기에 원자의 구조가 밝혀지면서, 원자핵 주위를 도는 전자 사이에 전자기력이 작용하고 전하를 띤 전자가 운동하는 것이 전류가 흐르는 효과를 낸다는 것이 알려져 모든 물질이 자기적 성질과 관련이 있음을 알게 됐어요.

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자기장은 어떻게 표기하고 어떤 단위로 나타내나요

자기장이라고 불리는 장은 B와 H 두 가지가 있어요. B는 자속 밀도, H는 자계 강도라고 불러요. 두 장은 진공에서는 서로 비례하지만 매질 안에서는 일반적으로 달라요. 두 값이 비례하는 매질을 선형 매질이라 하고, 이때 비례 상수를 매질의 투자율이라고 해요.

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과거에는 보통 자기장이라고 하면 H를 일컬었어요. 그래서 자료를 읽을 때 자기장이 B와 H 가운데 어느 쪽을 뜻하는지, 단위가 테슬라인지 암페어 퍼미터인지 함께 확인하는 것이 좋아요.

전자석과 지구 자기장에서는 자기장을 어떻게 볼 수 있나요

자기장을 일정한 방향으로 만들기 위해 코일을 원통형으로 감고 전류를 흘리는 방법이 고안됐어요. 자기장이 잘 모이도록 코일 안에 철심을 두면 자석과 같은 역할을 한다는 것이 알려졌고, 이것이 전자석이에요. 지금은 여러 형태의 전자석이 만들어져 쓰여요.

지구 자기장은 지구 안쪽의 핵과 관련이 있어요. 핵은 외핵과 내핵으로 나뉘는데 액체 상태의 외핵은 반지름이 약 3,480km이고 고체인 내핵은 반지름이 약 1,220km예요. 외핵은 철과 니켈이 주성분으로 추정돼요. 대류와 지구 자전 때문에 외핵이 유동하면 전류가 생기고, 이 전류가 자기장을 만들어요. 이렇게 역학적 운동으로 자기장이 유지되는 구조를 다이나모 구조라고 해요.

외핵에는 철과 니켈 말고도 수소나 탄소 같은 가벼운 원소가 10% 이상 들어 있다고 가정해요. 그래야 지진파의 속도와 밀도를 설명할 수 있기 때문이에요. 내핵은 지구 내부가 식을 때 외핵의 철과 니켈이 가라앉아 생겼다고 보고, 지금도 계속 자라고 있어요. 핵을 둘러싼 지각의 두께는 대륙 지각이 대략 30~60km, 해양 지각이 평균 6~7km로 알려져 있어요.

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자기장 발견의 역사는 어떻게 되나요

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전자기학이 정립되기 전에 자석은 주로 나침반 제작에 쓰였어요. 나침반은 자석의 서로 다른 두 극이 남북 방향을 가리키는 성질을 이용해 방향을 알아내도록 만든 장치예요. 한국에서는 지금의 평양 지역에서 약 2천 년 전에 쓰인 천반 조각이 발견됐는데, 천반은 둥근 접시 모양의 판에 십간과 십이지 등으로 방향을 표시하고 가운데에 북두칠성을 그려 넣은 것이에요. 또 우리 고유의 나침반 윤도는 건물을 짓거나 무덤 자리를 고르는 데 쓰였어요. 동의보감에는 약재로도 기록돼 있어요. 자석이 철을 끌어당기는 이유를 설명할 수 있게 된 것은 19세기 이후예요.

자기장은 생활 속에서 어디에 쓰이나요

일상에서 자석은 텔레비전이나 컴퓨터 모니터의 화면 조절, 마이크, 스피커, 전화기, 녹음기, 냉장고, 세탁기의 전동기에 들어 있어요. 컴퓨터의 기록 장치에도 쓰이고, 발전소 발전기에서는 전류를 발생시키는 장치로 쓰여 전기 공급에 꼭 필요해요.

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자석의 쓰임은 앞으로도 넓어질 것으로 보여요. 입자 가속기에서 다루는 전자석은 형태가 다양하고 매우 정밀하며, 핵융합로에는 초전도 자석이 쓰일 예정이고, 고속철도에 응용되는 자기부상열차는 많은 수의 자석이 필요해요.

자기장과 함께 배우는 개념에는 무엇이 있나요

• 자기력선: 자기장의 방향을 이은 선으로 촘촘할수록 자기장이 세요.
• 전자석: 코일과 철심에 전류를 흘려 만드는 자석이에요.
• 다이나모: 유체의 운동으로 자기장을 만들고 유지하는 구조예요.
• 맥스웰 방정식: 전기장과 자기장의 관계를 정리한 식이에요.
• 스핀: 입자가 가진 고유한 성질로 전류와 같은 역할을 할 수 있어요.
• 로런츠 힘: 자기장 안에서 움직이는 전하가 받는 힘이에요. 전하량, 속도, 자기장 B를 곱해 구하고, 자기장 B를 이 힘으로 정의해요.
• 패러데이 전자기 유도: 자기장을 변화시키면 전기장과 전류를 만들 수 있어요. 고정된 자기장 속에서 도체가 움직여도 전류가 생기고, 이것이 발전기와 전동기의 원리예요.
• 회전 자기장: 극성을 갖고 회전하는 자기장이에요. 교류 전동기의 핵심 원리이고, 1882년 니콜라 테슬라가 처음 개념을 만들었으며 1885년 갈릴레오 페라리스도 독립적으로 연구했어요.
• 자기 홀극이 없다는 사실: 자기 홀극이 존재하지 않아서 자기력선은 끊어지지 않아요. 나침반 바늘의 N극은 북쪽을 가리키도록 정한 극이라서 지구의 남극 쪽이 자석의 N극에 해당해요.

자기장에 대해 흔히 하는 오해는 무엇인가요

• 자석만 자기장을 만든다: 전류도 자기장을 만들어요.
• 나침반은 자석의 힘으로만 움직인다: 지구 주위의 자기장 때문에 자석이 남북을 가리켜요.
• 지구 자기장은 영구 자석 때문이다: 외핵의 유동이 만드는 전류로 유지돼요.
• B와 H는 같은 값이다: 진공에서는 비례하지만 매질 안에서는 달라요.