전류가 만드는 자기장
움직이는 전하는 그 주위에 자기장을 만들어, 전류가 흐르는 도선은 원형 자기력선으로 둘러싸인다. 도선을 코일로 감으면 각 고리의 자기력선이 안쪽에서 합쳐져, 코일 길이 방향으로 뻗는 하나의 강하고 균일한 자기장이 된다. 감은 횟수를 늘리거나 전류를 세게 하면 속의 자기장은 강해진다.
공식
B = μ₀ · N · I / L
- B — 자기장 (T): 코일 내부의 자기장 세기
- μ₀ — 진공 투자율 (T·m/A): 전류가 얼마나 강하게 자기장을 만드는지 정하는 고정 상수
- N — 감은 횟수 (turns): 코일을 이루는 도선 고리의 수
- I — 전류 (A): 매초 도선을 흐르는 전하의 양
- L — 길이 (m): 감은 도선이 펼쳐진 코일의 길이
풀이 예제
솔레노이드가 길이 0.5 m에 500 바퀴의 도선을 감고, 2 A의 전류를 흘려보낸다. 내부의 자기장 세기는?
- N = 500회
- I = 2 A
- L = 0.5 m
- B = μ₀ · N · I / L
- B = (4π × 10⁻⁷ T·m/A) · 500 · 2 A / 0.5 m
B = 8π × 10⁻⁴ T
스스로 확인하기
솔레노이드의 감은 횟수가 500이 아닌 1000이 되고, 전류와 길이는 같다. 내부의 자기장은 어떻게 됩니까?
- 정답: 두 배인 16π × 10⁻⁴ T가 된다
- 절반인 4π × 10⁻⁴ T가 된다
- 8π × 10⁻⁴ T로 그대로이다
맞았습니다! B는 N에 비례하므로, 감은 횟수가 두 배가 되면 자기장도 두 배입니다: 4π×10⁻⁷ × 1000 × 2 A / 0.5 m = 16π × 10⁻⁴ T.
코일을 감지 않은, 전류가 흐르는 1본 곧은 도선 주위에서 자기력선은 어떤 모양을 만듭니까?
- 코일 내부 같은 균일한 자기장
- 도선을 따라 뻗은 직선
- 정답: 도선을 감싸는 원
그렇습니다 ― 전류가 흐르는 곧은 도선은 오른손 법칙을 따르는 원형 자기력선으로 둘러싸입니다.
어디서 볼 수 있나요
고물처리장의 크레인이 도선 코일을 내려 놓고 전류를 흘리면 자동차를 들어 올린다 — 전류를 끄면 자동차는 떨어진다. 전류 없이는 자석이 없고, 원할 때 원하는 만큼의 자기를 얻는다: 초인종, MRI 스캐너, 고물처리장 크레인은 모두 같은 장치이다. 즉 스위치로 자기장을 명령하는 솔레노이드이다.
흔한 오해
첫째, 자기장의 모양: 곧은 도선 주위에서 자기력선은 도선을 감싸는 원을 이룬다 — 직선도 아니고 균일한 자기장도 아니다; 강하고 균일한 자기장은 코일 안에서만 나타난다. 둘째, 크기 관계: B = μ₀ · N · I / L은 감은 횟수와 전류에 따라 커지므로, 같은 전류에서 500 바퀴에서 1000 바퀴로 늘리면 내부 자기장은 정확히 두 배가 된다. 자기장을 만드는 것은 전류이다 — 철심은 그것을 모아 집중시킬 뿐이다.
어떻게 연결되는가
이것은 전자기학 모듈이 전기에서 자기로 넘어가는 전환점이다: 쿨롱의 법칙과 정전용량은 정지해 있는 전하에 관한 것이었고, 여기서는 움직이는 전하 — 전류 — 가 제 주위에 자기장을 일으킨다. 다음의 로렌츠 힘이 이 고리를 닫는다: 그 자기장들은 그 사이를 지나가는 다른 모든 움직이는 전하를 되밀어 낸다.