06. 자기장(Magnetic Field)

 

6. 1. 자기장(Magnetic Field)

 

(자석에 의한 자기장(Magnetic Field Caused by a Magnet)).

 

- 자기력(Magnetic Force): 자석 사이에 작용하는 힘. 자석에는 N극과 S극이 있으며 같은 극에는 척력이, 서로 다른 극에는 인력이 작용한다.

 

- 자석은 반절로 잘라도 N극과 S극으로 분리되지 않으며, 더 작은 자석이 된다.

 

- 자기장(Magnetic Field): 자기력이 작용하는 공간.

 

- 자기장의 방향(Direction of Magnetic Field): N극이 가리키는 방향.

 

- 자기력선속(Magnetic Flux): 자기장에 수직한 단면적을 지나는 자기력선의 수 [Wb(웨버)].

 

- 자기장의 세기(Strength of Magnetic Field): 자석의 양 끝 부분에서 제일 세고, 자석에서 멀어질수록 약해진다. 

 

  자기장의 세기 = 자기력선속 / 단면적. [T(테슬라)].

 

- 자기력선(Magnetic Line of Force): 자기장의 모양을 선으로 그린 것.

 

- N극에서 나와 S극으로 들어가고, 중간에 끊어지지 않고, 교차되지 않으며, 자기력선 사이의 간격이 좁아 밀도가 높으면 자기장의 세기가 상대적으로 세다.

 

 

(전류에 의한 자기장(Magnetic Field Caused by Electric Current)).

 

- 앙페르 법칙(Ampère's Law): 전류가 흐르는 도선이 있을 때, 오른손의 엄지손가락을 도선에 흐르는 전류의 방향으로 향하게 하고, 나머지 네 손가락으로 도선을 감쌀 때, 네 손가락이 가리키는 방향이 자기장의 방향이 된다.

 

- 자기장의 세기(Strength of Magnetic Field): 직선 전류에 의한 자기장의 세기는 도선에 흐르는 전류의 세기에 비례하고, 도선으로부터의 수직 거리에 반비례한다.

 

 

- 원형 도선에서 전류가 흐를 경우, 방향은 앙페르 법칙으로 구하면 되며, 자기장의 세기는 원형 도선의 중심에서 가장 세다. 또한 원형 도선 안쪽에서 생기는 자기장의 세기가 바깥쪽보다 상대적으로 쌔다.

 

- 원형 도선의 자기장의 세기는 전류의 세기에 비례하고, 도선의 반지름에 반비례한다. B ∝ I / r.

 

 

- 솔레노이드(Solenoid): 긴 원통에 코일을 여러 번 감아 놓은 것.

 

- 자기장의 모양(Shape of Magnetic Field): 솔레노이드 내부에서는 중심축에 평행한 방향으로 균일한 자기장이 형성되고, 솔레노이드 외부에서는 막대 자석이 만드는 자기장과 비슷한 자기장이 형성된다.

 

- 자기장의 방향(Direction of Magnetic Field): 오른손의 네 손가락을 솔레노이드 도선의 전류의 방향으로 감싸면, 엄지손가락이 가리키는 방향이 자기장의 방향이다.

 

- 자기장의 세기(Strength of Magnetic Field): 솔레노이드 내부에 생기는 자기장의 세기는 전류의 세기에 비례하고, 단위 길이당 감긴 코일의 수에 비례한다. B ∝ nI.

 

 

- 전자석(Electromagnet): 솔레노이드 내부에 철심을 넣은 것.

 

- 전자석의 특징(Features of Electromagnet): 솔레노이드에 전류가 흐르면 강한 자기장을 얻을 수 있고, 전류의 세기를 조절하여 자기장의 세기를 조절할 수 있으며, 영구자석과 달리 전류가 흐를 때만 자석이 된다.

 

- 전자석의 이용(Use of Electromagnet): 자기부상열차, MRI, 토로이드 등

 

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6. 2. 물질의 자성(Magnetism of Materials)

 

- 원자자석(Atomic Magnet): 물질 내부에서 자석의 역할을 하는 원자 하나하나.

 

- 자기화(Magnetization): 외부 자기장의 영향으로 원자 자석들이 일정한 방향으로 정렬되는 현상.

 

- 자성(Magnetism): 물질이 자석에 반응하는 성질.

 

- 자성체(Magnetic Material): 자성을 지닌 물질. (강자성체, 상자성체, 반자성체로 세분화)

 

 

- 물질의 자성(Magnetism of Materials).

	강자성(Ferromagnetism)	상자성(Paramagnetic)	반자성(Diamagnetic)
정의	자석에 잘 달라붙는 물질.	자석에 어느정도 붙지만 그 정도가 약한 물질.	자석에 의해 밀리는 물질.
예시	철, 니켈	종이, 알루미늄	금, 은, 구리
외부자기장을 가한후 제거할 때	- 외부자기장을 가하면 원자자석들이 외부 자기장의 방향으로 강하게 자기화된다. - 외부 자기장을 제거하면 자석의 효과를 오래 유지한다.	- 외부자기장을 가하면 원자자석들이 외부 자기장의 방향으로 약하게 자기화된다. - 외부 자기장을 제거하면 자석의 효과가 바로 사라진다.	- 외부자기장을 가하면 원자자석들이 외부 자기장의 반대 방향으로 자기화된다. - 외부 자기장을 제거하면 자석의 효과가 바로 사라진다.

 

 

- 자성의 원인(Cause of Magnetism): 물질을 구성하는 원자 내 전자의 운동(전자의 궤도운동, 전자의 스핀)에 의해 자기장이 발생하기 때문.

 

- 대부분의 물질에서 전자의 궤도운동과 스핀에 의한 자기장은 0이거나 매우 작다.

 

 서로 반대방향으로 운동하는 전자들이 있기 때문에 그 효과가 상쇄되기 때문이다.

 

- 강자성과 상자성은 원자 내에 반대방향으로 운동하는 전자들이 짝을 이루지 않는 전자들이 있을 때 나타나고, 반자성은 원자 내 모든 전자들이 짝을 이루어 자기장이 완전히 상쇄될 때 나타난다.

 

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6. 3. 전자기 유도(Electromagnetic Induction)

 

- 전자기 유도(Electromagnetic Induction): 자석 주위에서 코일을 운동시키거나, 코일 주위에서 자석을 운동시킬 때, 코일을 지나는 자기력선속이 변하여 코일에 전류가 흐르는 현상이다.

 

- 역학적 에너지를 전기에너지로 변환시킨다.

 

- 유도전류(Induced Current): 전자기 유도에 의해 발생하는 전류.

 

- 유도기전력(Induced Electromotive Force): 전자기 유도에 의해 코일에 유도전류를 흐르게 하는 전압.

 

- 렌츠법칙(Lenz's Law): 전자기 유도에 의해 형성되는 유도 전류는 코일을 통과하는 자기력 선속의 변화를 방해하는 바향으로 흐른다.

 

ex) N극의 자석이 코일에 가까워질 때, 코일 위쪽에는 N극이 형성되서 자석이 다가오는 걸 방해(자기력선속의 변화를 방해)하고, 아래쪽에는 자극의 특성 상 자연스럽게 S극이 형성되게 된다. 그러면 자기장의 방향은 아래에서 위로 향하게 되고, 유도전류는 반시계 방향으로 생성되게 된다.

 

- 패러데이 법칙(Faraday's Law): 유도 기전력의 크기는 자기력선속의 시간적 변화율에 비례하고, 코일의 감은 수에 비례한다. [V]

 

- 유도전류의 세기는 유도기전력의 크기에 비례한다.

 

- 전자기 유도 현상의 예시: 신요 카드 판독기, 태블릿, 발전기.

 

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