1. 자기장과 자기력선
1) 자기장
자기장이란 자석 주위에 자기력이 작용하는 공간입니다. 자기장의 방향은 자기장 속에서 나침반의 $ N$극이 가리키는 방향이고, 단위는 $ T$(테슬라)를 사용합니다.
2) 자기력선
① 자기력선의 특징
자기력선은 나침반의 $ N$극이 가리키는 방향을 따라가게 그려준 선입니다. 자기력선은 자기력선 사이의 간격이 좁을수록 자기장의 세기가 셉니다. 그리고 자기력선의 한 점에서의 접선 방향이 그 점에서의 자기장의 방향입니다. 또한 자기력선은 도중에 갈라지거나 교차하지 않고 끊어지지 않습니다.
②자기력선의 성질
자기장의 방향은 자석 외부에서는 $ N$극에서 $ S$극으로 향하지만, 자석 내부에서는 $ S$극에서 $ N$극으로 향합니다. 자기력선은 $ N$극에서 나와서 $ S$극으로 들어가는 방향으로 그리고, 자기장의 세기는 자석의 양끝, 즉 자극에서 가장 세므로 자기력선은 자극 근처에서 제일 조밀하게 밀집되어 있습니다. 나침반의 자침의 $ N$극은 자기장의 방향을 나타냅니다.
③지구의 자기력선
지구의 자기력선은 남극에서 나와서 북극으로 향합니다. 나침반의 자침은 자기력을 받아 $ N$극은 북쪽을 $ S$극은 남쪽을 가리킵니다.
2. 전류에 의한 자기장
1) 직선 도선의 경우
① 자기장의 방향
오른 나사 법칙에 의해서 오른손 엄지손가락의 방향을 전류의 방향으로 하고 나머지 네 손가락으로 도선을 감아쥘 때 네 손가락이 감기는 방향이 자기장의 방향입니다. 이때 직선 도선에 흐르는 전류의 방향만 반대가 될 경우, 자기력선의 모양은 그대로이고 자기장의 방향은 반대가 됩니다.
[ConFer]
자기장의 방향을 표시할 때는 수직으로 들어가는 방향은 $ \times$로 수직으로 나오는 방향은 $ \bigodot$로 표시합니다.'
② 자기장의 세기
앙페르 법칙에 따라 자기장의 세기를 나타내는 $ \textit{B}$는 전류의 세기 $ textit{I}$에 비례하고 직선 도선에서부터의 수직 거리 $ \textit{r}$에 반비례합니다.
$$ \textit{B}\propto\frac{I}{r}$$
2) 원형 도선의 경우
① 자기장의 방향
오른손의 네 손가락을 원형 도선의 전류의 방향으로 원형 도선을 감아쥐고, 엄지 손가락을 원형 도선의 축 방향으로 놓았을 때 엄지손가락이 향하는 방향이 자기장의 방향입니다. 또한 전류가 흐르는 원형 도선의 경우는 자극을 가집니다.
② 자기장의 세기
원형 도선의 중심에서 자기장의 세기 $ \textit{B}$는 전류의 세기 $ \textit{I}$에 비례하고, 반지름 $ \textit{r}$에 반비례합니다.
$$ \textit{B}\propto\frac{I}{r}$$
3) 솔레노이드의 경우
① 솔레노이드
솔레노이드란 도선을 여러 번 감아서 원통 모양으로 만든 것으로, 솔레노이드 외부는 막대 자석이 만드는 자기장과 비슷한 모양으로 자기장이 형성되고, 내부는 중심축에 나란하고 균일한 자기장이 형성 됩니다.
② 자기장의 세기
오른쪽 네 손가락을 전류의 방향으로 감아쥐고, 엄지손가락을 솔레노이드의 중심축과 나란히 두었을 때 엄지손가락이 향하는 방향입니다.
③자기장의 세기
솔레노이드 내부에서 자기장의 세기$ \textit{B}$는 전류의 세기 $ \textit{I}$에 비례하고, 단위 길이당 코일의 감은 수 $ n$에 비례합니다.
3. 전류에 의한 자기장의 이용
1)전자석
①전자석의 정의
솔레노이드 내부에 철심을 넣은 것으로, 전류가 흐를 때 내부 자기장의 세기는 철심이 없을 때보다 강해집니다.
②전자석의 특징
영구 자석과 달리 전류의 세기를 조절하여 자석의 세기를 조절할 수 있습니다. 또한 전류의 방향을 바꿔서 자석의 극을 바꿀 수도 있습니다. 그리고 전류를 차단할 경우에는 자석의 성질을 거의 잃어버립니다.
③전자석의 활용
자기 공명 영상 장치(MRI), 자기 부상 열차, 전자석 기중기 등이 있습니다.
2)자기력
①자기력의 정의
자기장 속에 놓인 도선에 전류가 흐를 때 도선이 받는 힘으로, 도선에 작용하는 자기력의 크기는 자기장의 세기, 전류의 세기, 자기장 속에 포함된 도선의 길이에 비례합니다.
②방향
자기장 내에서 자기력선에 수직으로 놓은 도선을 자기장에 수직으로 움직이게 할 때, 오른손의 집게 손가락과 엄지손가락을 각각 자기장의 방향과 도선의 운동 방향으로 향하게 하면, 유도전류는 이들 방향에 수직으로 향하게 한가운데 손바닥의 방향으로 흐릅니다. 이를 플레밍의 오른손 법칙이라고 합니다.
또한 전류가 흐르는 도선의 미소 부분이 자기장에 의해 받는 힘은, 왼손의 가운데손가락과 집게손가락을 각각 전류의 방향과 자기장의 방향으로 향하게 하면, 이들에 수직으로 향하게 한 엄지손가락의 방향을 향합니다. 이를 플레밍의 왼손 법칙이라고 합니다.
[Sence]
플레밍의 왼손 법칙에서 엄지, 검지, 중지를 순서대로 힘(Force), 자기장($ \textit{B}$), 전류($ \textit{I}$)로 기억하면 편리합니다.
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