전류, 전하, 자기장, 자기력에 관한 글
1819년, 덴마크의 과학자 한스 크리스티안 외르스테드(1777-1851)는 자기와 전류 또는 움직이는 전하 사이의 관계를 발견했습니다. 그는 나침반 바늘이 전류가 흐르는 전선 근처에 있을 때 바늘이 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 자기력은 전류에 의해 발생합니다.
옆 그림을 보세요. 오른손 법칙을 이용하면 전류의 방향과 자기장의 방향을 알 수 있습니다. 전류(I)가 위쪽으로 흐르면 자기장(B)의 방향은 왼쪽 그림과 같습니다. 전류의 방향이 아래쪽이면 자기장의 방향은 오른쪽 그림과 같습니다.
자기장은 전류가 흐르는 도선에 힘을 가합니다.
앞서 전류가 나침반 바늘에 힘을 가할 수 있다고 설명했습니다. 그렇다면 자석도 전류에 힘을 가할 수 있을까요?
자석의 북극과 남극 사이에 전류가 흐르는 도선이 놓여 있다고 가정해 봅시다. 자기장의 방향은 북극에서 남극으로 향하는 화살표로 표시됩니다. 전류(I)의 방향이 빨간색 화살표로 표시되면, 자기력(F)이 발생하며 그 방향은 파란색 화살표로 표시됩니다.
자기력 F의 방향은 전류 I의 방향과 수직이고 자기장 B의 방향과도 수직입니다.
오른손 법칙을 이용하면 전류의 방향, 자기장의 방향, 자기력의 방향을 결정할 수 있습니다.
자기력, 전류 및 자기장 사이의 관계는 다음 방정식으로 표현됩니다.
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 수직(90°)이면 sin θ = 1이 되므로 자기력은 F = BI l로 바뀝니다. 반대로 전류가 자기장에 평행(0°)이면 sin θ = 0이 되어 자기력은 0이 됩니다.
자기장을 계산하기 위해 위의 공식은 B = F / I l로 변경됩니다.
자기력의 국제 단위는 뉴턴(N)이고, 자기장의 국제 단위는 테슬라(T)입니다. 테슬라는 세르비아계 미국인 발명가이자 물리학자인 니콜라 테슬라(1856-1943)의 이름을 따서 명명되었습니다. 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. 1G = 10⁻⁴T
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 θ에서 유도됩니다. I = q/t이고 l = vt이므로 자기력 공식은 다음과 같이 바뀝니다.
공식 설명: F = 자기력, B = 자기장, q = 전하량, v = 전하의 운동 속도, θ = v와 B 사이의 각도
만약 v가 B에 수직이면 θ = 90 ° 이고, sin 90 ° = 1입니다. 반대로, v가 B에 평행하면 θ = 0 ° 이고, sin 0 ° = 0입니다. 따라서, v가 B에 수직일 때 자기력이 최대가 되고, v가 B에 평행할 때 자기력이 0이 됩니다.
자기력 F의 방향은 자기장 B에 수직이고 전하의 속도 v에 수직입니다.
