전류, 전하, 자기장, 자기력에 관한 내용
1819년, 덴마크의 과학자 한스 크리스티안 외르스테드(1777~1851)는 자기와 전류 , 즉 움직이는 전하 사이의 관계를 발견했습니다 . 그는 나침반 바늘이 전류가 흐르는 전선 근처에 있을 때 한쪽으로 치우치고, 전류가 없을 때는 북쪽을 가리킨다는 사실을 알아냈습니다.
나침반 바늘은 자석이므로 자기력에 의해 움직일 수 있습니다 . 그렇다면 자기력(F)은 어디에서 오는 것일까요? 나침반 바늘 근처에는 전류가 흐르는 도선이 있으므로, 전류가 자기력을 발생시키는 것입니다.
오른쪽 그림을 보세요. 오른손 법칙을 이용하여 전류의 방향과 자기장의 방향을 결정하세요. 전류(I)가 위쪽으로 흐르면 자기장(B)의 방향은 왼쪽 그림과 같습니다. 반대로 전류가 아래쪽으로 흐르면 자기장의 방향은 오른쪽 그림과 같습니다.
자기장은 전류가 흐르는 도선에 힘을 가합니다.
전류는 나침반 바늘에 힘을 가할 수 있습니다. 그렇다면 자석도 전류에 힘을 가할 수 있을까요?
자석의 북극과 남극 사이에 전류가 흐르는 도선이 있다고 가정해 봅시다. 북극에서 남극으로 향하는 화살표는 자기장의 방향을 나타냅니다. 빨간색 화살표는 전류(I)의 방향을, 파란색 화살표는 자기력(F)의 방향을 나타냅니다.
자기력 F의 방향은 전류 I의 방향과 자기장 B의 방향에 수직입니다. 오른손 법칙을 이용하여 전류의 방향, 자기장의 방향, 그리고 자기력의 방향을 구하십시오.
다음 방정식은 자기력, 전류 및 자기장 사이의 관계를 나타냅니다.
F = BI l sin θ
F는 자기력의 기호, B는 자기장의 기호, I는 전류의 기호, l은 자기장 내에 있는 도선의 길이를 나타내는 기호입니다.
θ는 전류의 방향과 자기장의 방향 사이의 각도입니다. 전류가 자기장에 수직이면(90 ° ) sin θ = 1이 되므로 공식은 F = BI l 로 바뀝니다 . 반대로 전류가 자기장에 평행하면(0 ° ) sin θ = 0이 되므로 자기력은 0이 됩니다.
자기장을 계산하기 위해 위의 공식은 B = F / I l로 바뀝니다.
자기력의 국제 단위는 뉴턴(N)이고, 자기장의 국제 단위는 테슬라(T)입니다. 테슬라는 세르비아계 미국인 발명가이자 물리학자인 니콜라 테슬라(1856-1943)의 이름에서 유래했습니다. 위의 자기장 공식에 따라 자기장은 뉴턴/암페어미터(N/A·m) 단위로도 표현할 수 있습니다. 테슬라 외에도 자기장은 가우스(G) 단위로도 표현됩니다. 가우스는 독일의 수학자, 천문학자, 물리학자인 요한 카를 프리드리히 가우스(1777-1855)의 이름에서 유래했습니다. 1 G = 10⁻⁴ T.
자기장 내에서 움직이는 전하에 작용하는 자기력
자기장은 전류가 흐르는 도선에 자기력을 가할 수 있습니다. 전류는 움직이는 전하이므로, 자기장은 도선뿐만 아니라 자유롭게 움직이는 전하에도 자기력을 가할 수 있습니다.
자기장 내에서 움직이는 전하에 작용하는 자기력을 계산하는 공식은 기존의 자기력 공식 F = BI l sin θ 에서 유도됩니다 . I = q/t 이고 l = vt 이므로 자기력 공식은 다음과 같이 바뀝니다.
공식 설명: F = 자기력, B = 자기장, q = 전하량, v = 하중의 이동 속도 θ = 사이의 각도 v 단 B
만약에 v 수직으로 B 마카 θ = 90o , sin 90인 경우o = 1. 반면에, 만약 v 평행하게 B 마카 θ = 0o, sin 0인 경우o = 0. 따라서 자기력은 일 때 최대값을 갖습니다. v 수직으로 B 그리고 자기력이 0이 되는 경우는 다음과 같습니다. v 평행하게 B.
자기력 F 의 방향은 자기장 B 에 수직 이고 전하의 속도 v 에 수직입니다.
