d라이브러리

전류는 자석에 의해 만들어진다.물론 그 역도 성립한다. 이들의 관계를 하나의 방정식으로 통일시킨 사람이 바로 멕스웰이다.

평행한 두 전선에 같은 방향의 전류가 흐를 때, 전선은 자석처럼 서로 당긴다. 전류가 밤대로 흐르면 이번에는 자석의 다른 극처럼 서로 밀어낸다.

자석도 원자 내부의 전류 때문에 생기는 것이므로 자기력은 근본적으로 전류 사이에 작용하는 힘이다. 즉 N극과 S극사이에 작용하는 힘은 전류 사이에 작용하는 힘의 다른 표현이라고 볼 수 있다.

예를 들어 인접한 두 개의 코일에 같은 방향으로 전류가 흐르면 마주 보는 면에 한쪽은 N극, 다른 쪽은 S극이 되므로 서로 인력이 작용한다. 이 현상을 표현할 때 'N극과 S극은 서로 당긴다'고 해도 되고 '같은 방향으로 흐르는 전류는 서로 당긴다'라고 해도 된다.

서로 반대로 흐르는 두 코일을 서로 가까이 놓으면 한쪽의 N극과 다른쪽의 N극 면이 서로 마주보게 되어서 서로 밀어낸다. 따라서 '같은 극끼리는 척력이 작용한다'와 '반대로 흐르는 전류 사이에는 척력이 작용한다'는 같은 표현이다.

자석과 전류, 그 긴밀한 관계

그러면 자석과 전류 사이에는 어떨까? 역시 마찬가지다. 이때 작용하는 힘의 방향은 전류와 자기장의 방향이 만드는 평면과 수직방향이며 플레밍의 오른손법칙으로 구할 수 있다. 그 힘의 크기는 전류와 자기장의 세기에 비례하고 그 둘의 방향이 수직일 때 가장 크다.

전류라는 것은 결국 전하의 이동이므로 전류가 힘을 받는 것은 결국 전하입자가 힘을 받는 것이고 이 때 입자가 받는 힘을 '로렌츠의 힘'이라고 한다. 방향은 전류가 받는 힘의 방향과 같고 크기는 전하량, 속도, 자기장의 세기에 비례한다.

전하를 가진 입자, 예를 들면 전자 양성자 이온 등이 자기장에 수직방향으로 뛰어들면 로렌츠의 힘을 자기장과 전하의 운동방향에 수직으로 받아 경로가 휘어진다. 전하의 운동방향이 변하면 따라서 힘의 방향도 입자의 운동방향에 항상 수직으로 작용하므로 구심력과 성격이 같은 힘이 되어 그 입자는 원운동을 하게 된다. 원운동의 회전 반경은 입자의 전하량과 질량, 속도에 의존하는데 동위원소를 이온화시키면 전하량이 같으므로 섞여있는 동위원소를 같은 속도로 자기장 속에 분사시키면 무거운 원소일수록 회전반경이 커, 동위원소를 분리할 수 있다. 이를 질량분석기라고 한다.
 

전동기를 만들어보자

전류와 자기장 사이에 작용하는 힘을 이용하여 연속적으로 회전하게 만든 기계가 바로 전동기이다. 다음은 지우개와 클립으로 전동기를 만드는 방법이다.

굵기 0.4㎜ 정도의 에나멜선을 15번 감아서 (그림2)와 같은 코일을 만든다. 코일 양단중 한쪽은 에나멜을 전부 벗겨내고 다른 한쪽은 에나멜을 반회전 몫만큼 벗겨낸다. 지우개 위에 그림과 같이 펴서 늘인 클립 2개를 꽂고 거기에 코일을 연결한다.

이를 동작시키기 위해서는 전지를 연결한 다음 코일 근처에 자석을 접근시키면 된다. 전지를 연결하면 코일에 전류가 통하게 되고 코일은 자석이 된다. 따라서 코일 근처에 있는 자석과 상호작용하여 힘을 받아 움직이기 시작한다.

코일이 반바퀴 회전할 때는 에나멜이 벗겨지지 않은 곳에 클립이 접촉하게 되어 전류가 흐르지 않기 때문에 힘을 받지 않지만 관성에 의해 나머지 반바퀴를 돈다. 거기서 다시 반바퀴를 돌면 에나멜이 벗겨진 곳을 접촉하게 되고 전류가 흘러 같은 방향의 힘을 받으므로 코일은 한쪽방향으로 계속 회전하게 된다.
 

상대론적 해석

이제 전류 사이에 작용하는 힘을 쿨롱법칙과 전하량보존 법칙, 그리고 아인슈타인의 상대성이론을 이용하여 정성적으로 설명해 보기로 한다.

지금 도선속에 있는 양전하가 오른쪽으로 운동하고 음전하는 같은 속력으로 왼쪽으로 운동한다고 가정하자. 그러면 전류는 양전하가 운동하는 방향이므로 오른쪽으로 흐른다. 이제 그 도선에서 조금 떨어진 곳에서 도선 속의 양전하와 같은 속력으로 오른쪽으로 이동하고 있는 양전하 Q가 있다고 하자.
 

이 양전하 Q의 입장에서 도선 속을 운동하고 있는 양전하를 보면 정지하고 있는 것이고, 음전하를 보면 두 배의 속력으로 왼쪽으로 가고 있는 것이다. 전하량은 보존되어야 하는데 상대론의 결과에 따르면 움직이는 물체의 길이는 로렌스 수축이 되어야 한다. 따라서 양전하 Q에서 보면 도선 속의 음전하의 밀도는 양전하의 밀도보다 커지고 음전하가 양전하보다 많은 것으로 판단할 것이다. 당연히 인력이 척력보다 커서 전하 Q는 도선쪽으로 힘을 받게 된다. 이 힘이 바로 로렌츠의 힘이고 자기력의 근원이 되는 힘이다.

그러나 실제로 도선에 전류가 흐를 때, 양전하는 거의 움직이지 않고, 주로 전자만 움직인다. 그렇더라도 상황이 달라지는 것이 아니다. 그럴 경우 전하 Q의 입장에서 보면 양전하와 음전하 모두 왼쪽으로 움직이는데 양전하보다 음전하의 속력이 두 배가 되므로 음전하쪽이 더 많이 수축이 되어 음전하밀도가 커진다.

물론 양전하 Q가 정지하면 도선 속의 양, 음전하의 속력이 같아지므로 전하밀도에 차이가 없고, 힘을 받지 않는다. 이와 같은 상황은 순전히 양전하 Q의 운동상태에 따라 양전하 Q의 입장에서 그렇다는 것이고 또 다른 전하 입장에서 보면 그 전하의 운동상태에 따라 도선의 전하 밀도를 판단하게 된다는 것이다.

따라서 서로 다른 운동상태에 있는 모든 전하들에 있어 개개의 전하가 이 세상의 중심에 있는 것처럼 쿨롱의 법칙과 전하량보존 법칙을 포함한 모든 물리법칙을 동등하게 적용할 수 있다는 것이다.

지구는 둥글기 때문에 지구상의 모든 점은 물리적으로 동등하므로 지구상에 있는 어떤 사람이 자기가 있는 곳만이 위쪽이라고 주장하면 안되는 것처럼 우주에서 등속도로 움직이는 모든 물체는 그 속도에 관계없이 물리적으로 동등한 지위를 갖는다.

이제 평행한 도선에 전류가 반대로 흐르는 경우를 생각하자(그림 4). 두 도선 사이에는 척력이 작용하는데, 위와 같은 방식으로 이를 설명하면 다음과 같다.

도선1에 있는 양전하는 오른쪽으로, 음전하는 왼쪽으로 움직인다고 가정하고 도선2에 있는 양전하는 왼쪽으로 음전하는 오른쪽으로 움직인다고 가정하자.

도선2의 양전하 입장에서 보면 도선1의 양전하는 속력이 두배가 되고 음전하는 정지한 것이므로 양전하의 밀도가 음전하의 밀도보다 크게 느낄 것이고 결과적으로 척력을 유발한다. 도선2의 음전하 입장에서 보면 도선1의 양전하는 정지해 있고 음전하의 속력이 두 배가 되어 음전하의 밀도가 양전하보다 커진다. 그 결과 역시 척력을 유발한다.

도선1의 양전하 입장에서 보면 도선2의 음전하는 정지하고 있고 양전하는 속력이 두배가 되어 길이가 수축되므로 양전하 밀도가 커지며, 결과적으로 척력이 작용한다. 도선1의 음전하 입장에서 보면 도선2의 양전하는 정지상태에 있고 음전하의 속력이 두배가 되어 전하밀도가 증가하므로 역시 척력이 작용한다.

이와 같이 하여 평행하게 반대로 흐르는 도선 사이에 작용하는 척력이 설명된다. 물론 실제로 양전하는 움직이지 않고 음전하를 갖는 전자만이 움직이는 것이지만 똑같은 설명이 가능하며 작용하는 힘만 반으로 적어진다.
 

패러데이의 일기

'전자기 유도법칙'의 패러데이는 연철고리에 A, B 2개의 코일을 감은 장치를 만들고,자석으로부터 전류를 만드는 실험을 반복하고 있었다. B코일 근처에는 자침을 놓아 전류가 흐르면 자침이 움직이게 되어 있다. 몇번이나 반복된 실패 후에 마침내 A쪽 코일의 전지를 접촉하는 순간,그의 예리한 관찰력은 자침의 극히 미세한 진동을 발견할 수 있었다.
 

1931년 8월 29일 그의 일기에는 다음과 같은 내용이 있었다고 한다.

"A코일중 한개의 양단에 전지를 접속했다(A코일은 3개의 코일로 구성되어 있다). 그 순간 자침의 작용이 감지되었다. 자침은 진동했다가 마지막에는 본래의 위치로 안정된다. A코일의 전지를 끊었을 때도 자침은 영향을 받는다. A쪽 코일을 하나로 통합해서 그 전부에다 전류를 통하면 전보다 자침에 영향이 크다. B가 자침에 주는 영향은 영속적이 아니라 A쪽의 스위치를 넣었다 끊었다 하는 순간에만 나타났다."

이것이 바로 전자기 유도 현상에 대한 최초의 발견인 셈이다. 패러데이는 잇달아 전자기유도의 여러 변화를 발견하였는데 그중에 하나가 자석과 코일 사이의 관계다.

"자석의 한 끝을 코일의 원통 끝에 딱 끼어들 수 있게 해 두고서 전체를 단숨에 꽂아 넣으면 바늘이 반대로 움직인다. 이 효과는 자석을 넣다 뺐다 할 때마다 반복된다. 또 코일을 자석쪽으로 밀거나 당길 때도 마찬가지 효과가 인정되었다."

자석을 코일 속에 가만히 두면 전류가 생기지 않지만 자석을 움직이든지, 아니면 코일을 움직이면 유도전류가 생긴다. 또 인접해 있는 다른 코일에 전류가 일정하면 유도전류가 생기지 않지만 옆에 있는 코일의 전류가 변하면 유도전류가 생긴다.

그 전류의 크기는 코일의 감은 수에 비례하고 코일 주위의 자기장의 변화에 비례한다. 또 그 전류의 방향은 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 흐른다.

예를 들어 코일쪽으로 자석의 N극을 접근시킬 경우에 코일에 생기는 유도전류는 코일을 전자석으로 만든다. 유도전류가 자석의 운동을 방해하기 위해서는 자석이 접근하는 쪽이 N극이 생기도록 유도전류가 흘러야 한다. 또 자석의 N극을 멀리하면 코일에 S극이 생기게끔 위와는 반대방향의 전류가 흘러 자석이 멀어지는 것을 방해한다.

코일이 없는 곳에서 자석을 움직이는 것이 코일이 있는 곳에서 움직이는 것보다 쉽다. 왜냐하면 코일이 있는 곳에서 자석을 움직이는 것은 코일에 유도전류를 발생시키고 그 유도전류는 항상 자석의 운동을 방해하기 때문이다. 더구나 방해하는 힘이 크면 클수록 발생되는 전기에너지가 많다.

이는 역학적 에너지를 전기에너지로 바꾸는 방법인데 이 과정에서도 물론 에너지 보존법칙이 성립해야 한다. 역학적 에너지를 전기에너지로 효과적으로 바꾸는 기계를 발전기라고 한다. 발전기의 원리는 이와 같이 지극히 간단한 것이기 때문에 그 구조 또한 복잡하지 않고, 또 규모가 클 필요도 없다. 자전거의 라이트를 켜기 위해 바퀴에 밀착시키는 장치도 발전기인데 이를 분해해 보면 자석 속에서 코일이 회전하도록 되어 있다. 이는 페달을 밟는 발에서 나오는 에너지의 일부가 전기에너지로 바뀌는 것이므로 아마도 족력(足力)발전이라고 해야 할 것이다.