지구가 자기력을 띄는 이유가 뭔가요?
안녕하세요. 강상우 과학전문가입니다.
움직이는 전하 또는 자기모멘트는 또 다른 움직이는 전하 또는 자기모멘트에 힘을 작용하는데 이 힘을 자기력이라고 한다. 막대자석 주위에서 나침반의 바늘의 N극이 막대자석의 S극을 향하도록 정렬하고 나침반의 위치를 바꾸어도 나침반의 바늘은 이 방향을 유지하도록 회전하는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 작은 자석인 나침반의 바늘에 자기력이 작용하기 때문이다. 전류가 흐르는 전선 주위에서 나침반의 바늘이 전선을 중심으로 하는 동심원을 그리며 일정한 방향을 유지하도록 정렬하는 현상 또한 자기력이 작용하기 때문이다.
자기력을 받아서 움직이는 전하 또는 자기모멘트가 그 위치에 따라 받는 자기력이 달라지는 것을 나타내기 위해 자기장이라는 물리량을 정의하는데, 이 자기장은 크기와 방향을 갖는 벡터양이다. 자기장을 만드는 것은 주위에서 흔히 찾을 수 있는 영구자석 또는 전류가 흐르는 도선 등이 있다. 특히 전류가 흐르는 도선의 주위에 생기는 자기장의 크기와 방향은 비오·사바르의 법칙(Biot-Savart law)으로 구할 수 있다. 이 법칙에 의하면, 그림 1에 그려진 대로, 전류 가 흐르는 회로에서 원점에 놓인 아주 작은 전류 요소 이 만큼 떨어진 곳에 형성되는 자기장 을 수식으로 나타내면,
전류가 흐르는 도선이 만드는 자기장의 크기는 전류의 크기에 비례하고 전류로부터의 거리의 제곱에 반비례하며, 그 방향은 오른손의 엄지를 전류 방향에 나란히 하고 도선을 감싸쥘 때 네 손가락이 가리키는 방향이 된다. 여기서 진공의 투자율이고,은방향의 단위벡터이다. 이 전류 요소에 의한 기여를 도선에 대해 적분하면 도선에 흐르는 전류에 의한 자기장을 구할 수 있다.
그림 1. 전류가 만드는 자기장
자기장 안에서 움직이는 전하가 받는 자기력은 로런츠힘(Lorentz force)이라고 하며 국제단위계에서 아래의 식으로 주어진다.
전하의 단위는 쿨롬(coulomb, 기호 C), 속도는 미터 매 초(m/s), 그리고는 테슬라(tesla, T)이며, 이렇게 얻어지는 자기력
단위는 뉴턴(newton, N)이다.
예를 들어 전류 가 흐르는 직선 도선 주위에 생기는 자기장을 비오·사바르의 법칙으로 계산해 보면, 도선까지의 수직 거리 인 지점에서의 자기장은 값에 반비례하고 전류의 세기 에 비례하는 자기장 이 생긴다. 이때 자기장의 방향은 오른손법칙으로 정해지며, 도선을 중심축으로 하는 동심원의 접선 방향이다.
만약 두 번째 도선을 첫 번째 도선과 거리 만큼 떨어진 곳에 나란히 놓고 전류 를 흘려주면, 이 두 번째 도선의 길이 요소 이 받는 자기력은 로 주어지고, 이 요소를 첫 번째 도선 전체에 대해 적분한 것이 두 번째 도선에 작용하는 자기장이다. 그 결과 두 번째 도선은 단위 길이당 만큼의 자기력을 받는다. 자기력의 방향을 살펴 보면, 두 도선에 서로 평행한 방향의 전류가 흐르면 서로 끌어당기는 인력으로, 서로 반대 방향의 전류가 흐르면 서로 밀어내는 척력으로 작용함을 알 수 있다.
[네이버 지식백과] 자기력 [Magnetic force] (물리학백과)
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