로렌츠 힘
자기장은 움직이는 전하에, 그 속도와 자기장 자체 모두에 수직인 ― 옆 방향으로 ― 힘을 가할 수 있다. 이 옆 방향의 힘은 전하를 빠르게도 느리게도 하지 않고 경로만 구부리며, 자기장이 일정하면 원을 그리게 한다.
공식
F = q · v · B
- F — 힘 (N): 전하에 가해지는 옆 방향의 자기 밀기
- q — 전하 (C): 입자가 가진 전하의 양
- v — 속도 (m/s): 전하의 빠르기(여기서 자기장에 수직)
- B — 자기장 (T): 전하가 지나는 자기장의 세기
풀이 예제
2 C의 전하를 가진 하전 입자가 3 m/s로, 5 T의 자기장에 수직으로 움직인다. 받는 힘은?
- q = 2 C
- v = 3 m/s
- B = 5 T
- F = q · v · B
- F = 2 C · 3 m/s · 5 T
F = 30 N
스스로 확인하기
같은 2 C의 전하가 이번에는 3 m/s로 더 강한 10 T 자기장을 지난다. 받는 힘은?
- 30 N
- 15 N
- 정답: 60 N
맞았습니다! 자기장이 두 배가 되면 힘도 두 배입니다: 2 C × 3 m/s × 10 T = 60 N.
양의 전하가 오른쪽으로 움직이며, 자기장은 종이 안쪽을 향한다. 자기력은 어느 쪽으로 엽니까?
- 정답: 위쪽
- 아래쪽
- 앞쪽, 이미 움직이는 같은 방향
맞았습니다! 오른손 법칙을 쓰면, 오른쪽으로 움직이는 양전하는 종이 안쪽 향하는 자기장 속에서 위로 미는 힘을 받습니다.
어디서 볼 수 있나요
옛날 CRT 텔레비전은 자기장으로 전자빔을 조종하여, 매초 수천 번 하전 입자를 꺾으면서 화면을 그렸다. 오로라는 같은 물리가 행성 규모로 벌어지는 모습이다: 태양에서 날아온 하전 입자들이 지구의 자기력선을 따라 나선을 그으며, 꺾일 때 빛난다.
흔한 오해
핵심적인 미묘한 점은 자기력은 일을 하지 않는다는 것이다: F = q · v · B는 속도에 수직으로 밀기 때문에, 경로는 구부릴 수 있어도 전하를 빠르게도 느리게도 만들지 못한다. 방향을 틀리는 것이 또 하나의 실수이다 — 힘은 속도와 자기장 모두에 수직이다(오른손: 손가락을 속도 방향으로 뻗고 자기장 쪽으로 구부리면, 엄지가 힘 방향을 가리킨다). 3 m/s로 움직이는 양전하가 10 T 자기장을 가로지르면 옆 방향으로 2 C × 3 m/s × 10 T = 60 N을 느낀다.
어떻게 연결되는가
전류는 자기장을 만들고 자기장은 움직이는 전하를 민다 — 전자기학의 피드백 짝을 이루는 두 절반으로, 강의 하나를 사이에 두고 마주한다. 다음의 패러데이 법칙이 세 번째를 더한다: 변하는 자기장이 저절로 전류를 밀어 내는 전압을 만든다. 이 속도를 보존하는 옆 방향 밀기가 모터가 도는 이유이자, 가속기에서 하전 입자가 원을 그리며 도는 이유이다.