전류가 만드는 자기장

곧은 도선에 전류를 흘리면 가까이 둔 나침반 바늘이 돌아간다. 그런데 그 자기장은 지구 자기장과 비슷할 만큼 약해서, 쇠못 하나 들어 올리기도 어렵다. 같은 도선을 원통에 촘촘히 감으면 강한 전자석이 되고, 병원의 MRI는 지구 자기장의 수만 배 되는 자기장을 만든다. 도선을 어떻게 감느냐에 따라 자기장이 왜 그렇게 달라질까?

전류 \(I\) (A)

도선에서의 거리 \(r\) (cm)

1.3.1곧은 도선과 원형 도선

곧은 도선에 전류가 흐르면 도선을 중심으로 하는 동심원 모양의 자기장이 생긴다. 오른손 엄지를 전류 방향으로 하면 나머지 네 손가락이 감기는 방향이 자기장의 방향이다. 자기장의 세기는 전류가 셀수록, 도선에 가까울수록 크다.

도선을 둥글게 구부리면 도선의 모든 부분이 만드는 자기장이 원의 중심에서 같은 방향을 향해 더해진다. 그래서 원형 도선 중심의 자기장은 같은 거리의 곧은 도선보다 \(\pi\)배 세다. 그림 1에서 거리를 2배로 늘리면 곧은 도선의 자기장은 절반이 된다.

1.3.2솔레노이드와 전자석

도선을 원통 모양으로 촘촘히 감은 것을 솔레노이드라 한다. 원형 고리 수백 개가 나란히 놓인 셈이라, 각 고리의 자기장이 내부에서 모두 더해진다. 그 결과 솔레노이드 내부에는 세기와 방향이 고른 강한 자기장이 생기고, 바깥에서는 거의 서로 지워진다. 막대자석의 자기장과 모양이 같다.

솔레노이드 안에 철심을 넣으면 철 속의 원자 자석들이 한 방향으로 정렬하여 자기장이 수백 배에서 수천 배까지 세진다. 이것이 전자석이다. 전류를 끄면 자기장이 사라지므로 고철을 들었다 놓는 기중기, 초인종, 스피커에 쓰인다.¹

1.3.3예제 풀이

단위 길이당 감은 수는 \(n = \dfrac{1000}{0.5} = 2000\)회/m이다. 따라서 \(B = \mu_0 nI = 4\pi \times 10^{-7} \times 2000 \times 2 \approx 5.0 \times 10^{-3}\) T, 곧 5 mT이다.

곧은 도선에서 1 cm 떨어진 곳은 \(B = \dfrac{2 \times 10^{-7} \times 2}{0.01} = 4 \times 10^{-5}\) T, 곧 40 μT이다. 솔레노이드가 약 125배 세다. 그리고 철심을 넣으면 여기서 다시 수백 배가 된다. 한편 MRI는 1.5~3 T의 자기장이 필요하여, 전기 저항이 0인 초전도 도선으로 큰 전류를 흘린다.

아래 탐구 카드에서 도선의 모양과 감은 수를 바꾸며 자기장이 어떻게 달라지는지 직접 살펴보자.

1. 철, 니켈, 코발트처럼 바깥 자기장에 맞추어 강하게 자기화되는 물질을 강자성체라 한다. 알루미늄이나 구리는 자기화가 매우 약해 자석에 붙지 않는다.