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자석에 의한 자기장, 자석과 자석 사이에 작용하는 힘

서로 다른 두 자석을 가까이 하면 어떻게 될까. 만약 두 자석의 마주보는 극이 같은 극이라면 서로 밀어낼 것이고, 다른 극이라면 끌어당길 것이다. 그렇다면 자석과 자석은 서로 맞닿지도 않았는데 어떻게 밀거나 당기는 힘이 작용할 수 있을까. 바로 자기장 때문이다. 자석은 주변에 자기력이 작용하는 공간인 자기장을 만든다.

자기장은 눈에 보이지 않기 때문에 자기력선을 이용해 나타낸다. 자기력선은 자기장 안의 각 점에서 자기력의 방향을 나타낸 가상의 선으로, 나침반의 N극이 가리키는 방향을 연속적으로 이어놓은 것과 같다. 항상 자석의 N극에서 나와 S극으로 들어가며 연속적으로 연결된 선으로 서로 교차하지도 않는다. 자기력선이 조밀한 곳은 그렇지 않은 곳보다 자기장이 강하다.

자기장은 크기와 방향을 갖는 벡터다. 즉, 방향이 같은 두 자기장이 겹치면 자기장의 세기는 커지고, 방향이 다른 두 자기장이 겹치면 자기장의 세기는 작아진다. 서로 다른 두 자석을 가까이할 때 밀거나 당기는 힘이 작용하는 것도 바로 이런 이유 때문이다.





전류가 만드는 자기장

자기장은 크게 막대자석 같은 영구자석에 의한 자기장과 도선에 흐르는 전류에 의한 자기장으로 나눌 수 있다. 도선에 흐르는 전류는 주변에 자기장을 만든다. 전류의 세기와 방향에 따라 자기장의 세기와 방향을 바꿀 수 있다. 1820년까지 전기와 자기는 서로 전혀 관계없는 현상이라고 생각했다. 하지만 1820년 4월 21일 저녁, 그 생각이 바뀌게 됐다. 외르스테드는 덴마크의 코펜하겐 대학에서 실험 강의를 하고 있었다. 전류가 흐르는 전선이 따뜻해지는 것을 보여 주기 위한 실험이었다. 그런데 스위치를 누르는 순간, 전선의 주위에 있던 나침반 바늘이 북쪽을 가리키지 않는 것을 알아차렸다. 볼타전지의 양극과 음극 기둥 양 끝을 잇는 철사에 강한 전류를 흘려보냈다. 그랬더니 북쪽에서 남쪽을 향하는 철사 옆에 나란히 놓여 있던 나침반의 바늘이 철사의 방향과 수직하게 동쪽에서 서쪽을 향하도록 90° 회전한 상태에서 멈췄다. 전류의 방향을 바꿨더니 나침반 바늘은 즉시 180° 회전했다. 나침반 바늘의 회전이 자기장과 전류 사이에 어떤 관계가 있다는 것을 증명하는 것이었다. 바로 전기와 자기의 관계를 의미하는 것이었다. 그래서 외르스테드는 전류가 자기장을 발생시킨다는 올바른 결론을 내렸다.

전류에 의한 자기장과 자석에 의한 자기장의 물리적인 차이는 없다. 엄밀하게 말하면 영구자석에 의한 자기장도 전류에 의한 자기장이라고 할 수 있다. 자석을 이루는 자성체의 원자 속 전자의 궤도운동(공전)과 스핀(자전)이 자석의 자기장을 만드는 원인인데, 이것이 전류의 흐름과 물리적으로는 같기 때문이다.

자석의 모양에 따라 자기력선의 모양이 다른 것처럼, 전류에 의한 자기장도 전선의 모양에 따라 다르다. 직선 전류에 의한 자기장은 직선 도선 주위에 원형으로 분포한다. 원형 전류에 의한 자기장은 도선 내부(중심)에 직선 모양으로 형성된다. 원형 도선이 연속적으로 늘어선 것과 같은 모양의 솔레노이드에 의한 자기장 또한 원형 도선과 마찬가지로 내부에 직선 모양으로 자기장이 형성된다.



자석과 전류 사이에 작용한 힘. 자기력

자석과 마찬가지로 전류도 자기장을 만들기 때문에 자석과 자석 사이에 자기력이 작용하는 것처럼 자석과 전류가 흐르는 도선 사이에도 자기력이 작용한다. 물론 전류가 흐르는 두 도선 사이에도 자기력이 작용한다.

<;그림 2>;처럼 말굽자석 사이에 놓인 전류가 흐르는 알루미늄 막대를 생각해 보자. 말굽자석 사이에는 N극에서 S극 방향으로 균일한 자기장이 형성돼 있다. 그 사이에 전류가 흐르는 알루미늄 막대가 놓이면 알루미늄 막대 주위에는 전류에 의한 자기장이 둥글게 형성된다. 이때, 자기장의 방향은 오른나사의 법칙으로 알 수 있다.

이것을 왼쪽에서 바라보면 <;그림 3>;과 같다. 가운데 둥근 부분이 전류가 흐르는 알루미늄 막대다. 지면 앞쪽으로 전류가 흐르므로 알루미늄 막대 주위에는 반시계 방향으로 자기장이 생긴다. 이때 알루미늄 막대의 왼쪽은 말굽자석의 자기장과 방향이 같으므로 자기장이 더 조밀해지고, 오른쪽은 두 자기장이 상쇄돼 자기장이 약해진다. 따라서 왼쪽에서 오른쪽으로 자기력이 작용해 알루미늄 막대가 오른쪽으로 움직인다. 알루미늄 막대에 흐르는 전류의 방향이 반대가 되면 자기장의 방향과 자기력의 방향이 <;그림 4>;처럼 반대가 된다. 이때는 알루미늄 막대의 오른쪽 부분 자기장이 조밀해지고, 두 자기장이 상쇄되는 왼쪽 부분의 자기장은 약해지므로 자기력은 오른쪽에서 왼쪽으로 작용한다.





자기력과 전동기

자기력을 이용하면 우리가 사용하는 가장 편리한 동력원 중 하나인 전동기를 만들 수 있다. 이 중 직류 전동기는 자석과 그 사이에서 회전하는 코일, 그리고 정류자로 구성된다. 전동기에 전원을 연결해 코일에 전류가 흐르면 코일이 자기력을 받아 회전한다. 이때 코일이 반 바퀴를 회전한 후 계속 같은 방향으로 회전하기 위해서는 전류의 방향을 바꿔야 하는데, 이 역할을 하는 것이 바로 정류자다.

전동기는 생활 곳곳에 이용된다. 로봇청소기도 전기 에너지를 운동 에너지로 전환시키는 전동기에 의해 다양한 운동이 가능하다. 생활에 실제로 사용되는 전동기는 구조도 복잡하고 자기장과 전류의 세기 또한 크고 다양한 조건에서 사용되지만, 최초의 전동기는 간단한 구조의 호모폴라 전동기였다.

호모폴라는 자기장의 세기나 방향이 변하지 않고 일정한 것을 말한다. 따라서 호모폴라 전동기는 일반 전동기와는 달리 닫힌 회로를 통과하는 자기장의 세기가 변하지 않는다. 호모폴라 전동기는 자기력으로 회전운동을 만들 수 있는 첫 번째 기구였으며, 1821년에 패러데이가 영국왕립학회에서 처음 만들어 보였다.