나뭇잎 교과서

전류의 자기 작용

전류가 흐르면 그 둘레에 자기장이 생기고, 자기장 속의 전류는 힘을 받습니다. 이 두 사실이 나침반을 돌리고, 전동기를 돌리고, 스피커를 울립니다. 크기와 방향을 직접 따져 봅니다.

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전류의 자기 작용

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1820년 외르스테드는 강의 도중 전지에 이은 도선 옆에 놓인 나침반 바늘이 움직이는 것을 보았다. 도선은 쇠붙이도 자석도 아닌 구리였다. 전류와 자석 사이에는 어떤 관계가 있을까? 그리고 이 관계로 전동기는 어떻게 돌아갈까?

그림 1. 남북 방향 도선에 전류가 흐르면 도선 아래 나침반이 동서 방향으로 돌아간다. 전류가 세고 거리가 가까울수록 많이 돈다(지구 자기장의 수평 성분 \(3 \times 10^{-5}\) T).
먼저 알아야 할 것자기장과 나침반(중학교), 벡터의 합(힘의 평형과 돌림힘), 돌림힘, 전류(저항의 연결과 전력).

2.5.1전류가 만드는 자기장

곧은 도선에 전류가 흐르면 도선을 중심으로 동심원 모양의 자기장이 생긴다. 오른손 엄지를 전류 방향으로 향하고 도선을 감아쥐면, 나머지 네 손가락이 감기는 방향이 자기장의 방향이다. 자기장의 세기는 전류에 비례하고 도선에서의 거리에 반비례한다.

정리 2.5.1 직선 전류에 의한 자기장

\[B = k\frac{I}{r}, \quad k = 2 \times 10^{-7}\ \text{T·m/A}\] 원형 도선의 중심에서는 \(B = k'\tfrac{I}{r}\)(\(k' = 2\pi \times 10^{-7}\)), 감은 수 \(n\)인 솔레노이드 내부에서는 단위 길이당 감은 수에 비례하는 고른 자기장이 생긴다.

나침반 바늘은 지구 자기장과 도선의 자기장을 합한 방향을 가리킨다. 그림 1의 슬라이더로 전류를 키우거나 나침반을 가까이 가져가면 도선의 자기장이 커져 바늘이 더 많이 돈다. 두 자기장이 서로 수직이면 바늘이 돌아간 각 \(\theta\)는 \(\tan\theta = \tfrac{B_{\text{도선}}}{B_{\text{지구}}}\)로 정해진다.

2.5.2자기장 속의 전류가 받는 힘

전류가 자석에 힘을 주면, 작용 반작용 법칙에 따라 자석도 전류에 힘을 준다. 자기장 \(B\)에 수직으로 놓인 길이 \(l\)인 도선에 전류 \(I\)가 흐르면 도선은 \(F = BIl\)의 힘을 받는다. 힘의 방향은 전류와 자기장 모두에 수직이며, 오른손 네 손가락을 전류 방향에서 자기장 방향으로 감을 때 엄지가 가리키는 쪽이다.1

N S 자기장 방향 (N에서 S로) 위쪽 변이 받는 힘아래쪽 변이 받는 힘 두 변의 전류가 반대힘도 반대 방향코일이 돌림힘을 받아 돈다
그림 2. 자기장 속 코일의 마주 보는 두 변은 전류 방향이 반대라 반대 방향의 힘을 받고, 이 힘의 쌍이 코일을 회전시킨다. 이것이 전동기의 원리이다.

전동기는 코일이 반 바퀴 돌 때마다 정류자로 전류 방향을 바꾸어 같은 방향으로 계속 돌게 한다. 스피커는 자석 속 코일에 소리 신호의 전류를 흘려, 전류가 바뀔 때마다 받는 힘으로 진동판을 앞뒤로 움직인다.

2.5.3예제 풀이

예제 2.5.2

남북 방향으로 놓인 긴 직선 도선 바로 아래 2 cm 되는 곳에 나침반이 있다. 도선에 3 A의 전류가 흐를 때 나침반 위치에서 도선이 만드는 자기장의 세기를 구하고, 지구 자기장의 수평 성분이 \(3 \times 10^{-5}\) T일 때 바늘이 돌아가는 각을 구하여라.

도선의 자기장은 \(B = 2 \times 10^{-7} \times \dfrac{3}{0.02} = 3 \times 10^{-5}\) T이다. 남북 방향 도선이므로 이 자기장은 나침반 위치에서 동서 방향이고, 북쪽을 향하는 지구 자기장과 수직이다.

따라서 \(\tan\theta = \dfrac{3 \times 10^{-5}}{3 \times 10^{-5}} = 1\)이므로 \(\theta = 45°\)이다. 거리를 4 cm로 늘리면 도선의 자기장이 절반이 되어 \(\tan\theta = 0.5\), 바늘은 약 27°만 돈다.

외르스테드의 발견 덕분에 전기와 자기가 한 현상의 두 얼굴이라는 것이 드러났다. 아래 탐구 카드에서 외르스테드의 실험과 전동기, 스피커의 원리를 직접 확인해 보자.

  1. 왼손 법칙으로 기억하기도 한다. 왼손의 엄지, 검지, 중지를 서로 수직으로 펴서 검지를 자기장, 중지를 전류 방향으로 하면 엄지가 힘의 방향이다. 두 방법은 같은 결과를 준다.
마무리

전류는 둘레에 자기장을 만들고, 직선 전류의 자기장은 \(B = k\tfrac{I}{r}\)이다. 거꾸로 자기장 속의 전류는 \(F = BIl\)의 힘을 받으며, 이 힘이 코일을 돌리는 것이 전동기이다. 그래서 처음 질문의 나침반은 도선의 전류가 만든 자기장과 지구 자기장을 합한 방향으로 돌아간 것이다.

탐구 1

전류가 흐르면 왜 나침반이 돌까?

직선 전류의 자기장 · 중첩
큰 나침반까지 거리
—
도선이 만든 자기장
—
바늘이 북에서 돈 각
—

위에서 내려다본 그림이다. 도선은 한가운데에 수직으로 서 있고, 큰 나침반은 끌어서 옮길 수 있다. 바늘의 빨간 쪽이 N극이고, 초록 동심원은 도선만의 자기력선이다.

  1. 질문1820년 외르스테드는 전류가 흐르는 도선 옆의 나침반 바늘이 돌아가는 것을 보았다. 바늘은 무엇에 반응했을까? 그리고 왜 도선 쪽이 아니라 옆으로 돌았을까?
  2. 복원나침반 바늘의 N극은 그 자리의 자기장 방향을 가리킨다. 그래서 평소에는 지구 자기장의 수평 성분(우리나라에서 약 30 µT)을 따라 북쪽을 가리킨다.
  3. 설명직선 도선에 전류가 흐르면 도선을 중심으로 동심원 모양의 자기장이 생긴다. 오른손 엄지를 전류 방향으로 하면 네 손가락이 감기는 방향이 자기장 방향이고, 세기는 B = μ₀I / 2πr로 거리에 반비례한다.
  4. 연결그래서 나침반이 가리키는 것은 지구 자기장과 도선의 자기장을 벡터로 더한 방향이다. 전류가 10 A이면 도선에서 약 6.7 cm 떨어진 곳에서 두 자기장의 세기가 같아진다.
  5. 적용큰 나침반을 도선의 동쪽과 서쪽에 차례로 놓고 바늘이 도는 방향을 비교해 보자. 전류의 방향을 바꾸면 어떻게 되는지 보고, 도선에서 멀어질수록 바늘이 다시 북쪽으로 돌아오는 것을 확인한 뒤, 지구 자기장을 끄면 바늘들이 어떤 모양으로 늘어서는지도 보자.
  6. 판단바늘은 도선의 자기장 방향이 아니라 합성 자기장의 방향을 가리킨다. 그래서 바늘이 90° 돌지 않았다고 도선의 자기장이 비스듬하다고 읽으면 안 된다. 또 도선의 자기장은 도선을 향하거나 밀어내는 방향이 아니라 도선을 휘감는 방향이어서, 바늘이 도선 쪽으로 끌려가지 않는다.

확인조건이 달라지면

남북 방향으로 놓은 수평 도선 바로 아래에 나침반을 두고, 도선에 남쪽에서 북쪽으로 전류를 흘렸다. 바늘의 N극은 어느 쪽으로 돌까?

탐구 2

전동기는 어떻게 계속 돌까?

자기력 F = BIL · 돌림힘 · 정류자
설계
코일을 놓는 각
회전 속도
—
전원에서 흐르는 전류
—
역기전력
—

코일 50회, 4 cm × 4 cm, 자기장 0.2 T, 저항 2 Ω인 장난감 전동기를 가정했다(모식). 초록 화살표는 코일 양쪽 변이 받는 힘이다. 그래프는 멈춘 코일에 전원을 넣는 순간의 돌림힘이고, 점선보다 작으면 정지 마찰을 이기지 못한다.

  1. 질문자석 사이에 놓은 코일에 전류를 흘리면 코일이 돌기 시작한다. 그런데 정류자를 빼면 코일은 조금 돌다가 멈춰 버린다. 무엇이 코일을 계속 돌게 할까?
  2. 복원자기장 속에서 전류가 흐르는 도선은 힘을 받는다. 도선이 자기장에 수직이면 크기는 F = BIL이고, 방향은 전류와 자기장 모두에 수직이다.
  3. 설명코일의 양쪽 변에는 전류가 반대로 흐르므로 힘도 반대 방향이고, 이 한 쌍의 힘이 코일을 돌린다. 그런데 코일 면이 자기장과 나란할 때 돌림힘이 가장 크고, 수직일 때는 두 힘이 한 직선 위에 놓여 돌림힘이 0이 된다.
  4. 연결그래서 코일이 수직 위치를 지나면 돌림힘의 방향이 거꾸로 바뀌어 코일을 되돌린다. 정류자는 코일이 이 위치를 지날 때마다 코일 속 전류의 방향을 바꿔, 돌림힘이 늘 같은 방향이 되게 한다. 그래프에서 돌림힘의 부호를 비교해 보면 이 차이가 보인다.
  5. 적용‘정류자 없음’에서 코일을 0°에 놓고 전원을 켜면 코일이 흔들리다 어디에서 멈추는지 보자. ‘정류자 있음’으로 바꾸고 코일을 90°에 놓으면 전동기가 출발하지 못하는데, 이 문제를 어떻게 풀 수 있는지 ‘코일 2개’로 확인해 보자.
  6. 판단전동기는 한없이 빨라지지 않는다. 코일이 자기장 속에서 돌면 전자기 유도로 전원과 반대 방향의 기전력(역기전력)이 생겨 전류가 줄어들고, 역기전력이 전원 전압에 가까워지는 속도에서 더 빨라지지 않는다. 반대로 막 켰을 때나 축이 걸려 멈췄을 때는 역기전력이 없어 전류가 가장 크게 흐른다.

확인조건이 달라지면

정류자가 있는 전동기에서 자석의 N극과 S극을 서로 바꾸고, 전원의 +와 −도 바꿔 연결했다. 전동기는?

영상 · 통통사과 · 32초

스피커를 분해하면

스피커 속에는 자석과 코일, 종이 콘이 있습니다. 코일에 흐르는 전류가 방향을 바꿀 때마다 자석이 코일을 앞뒤로 밀고, 콘이 공기를 흔들어 소리를 냅니다. 전동기 카드의 F = BIL이 전동기에서는 회전으로, 스피커에서는 떨림으로 쓰입니다. 이 영상도 파일이 아니라 코드로 그려집니다.

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