0. 목차
- 자기력의 근본은 '전자 자석'
- 전기장과 자기장
- 전자석(Electromagnet)
- 전자기 유도
- 발전기(Generator)
- 모터(Motor)
1. 자기력의 근본은 '전자 자석'
'자석(Magnet)'을 잘게 부시면 어떻게 될까? 놀랍게도 원자 상태까지 잘게 부수어도 자석에는 N극과 S극이 남아 있어서 '자기력(Magnetic force)'를 유지한다. 그리고 거기서 더 잘게 나누면 '전자(Electron)' 1개에도 N극과 S극이 있다. '전자(electron)'는 더 이상 분할할 수 없기 때문에 모든 자석에는 반드시 N극과 S극이 존재한다. N극만 있는 자석, S극만 있는 자석 또한 존재하지 않는다. 이른바 그 '전자 자석(electron magnet)'이 모든 자기력의 근본인 것이다.
그러면 전자는 왜 자기력을 가지고 있을까? 전자는 음전기를 띠고 있으며, 동시에 '자전(Rotation)'과 비슷한 '스핀(Spin)'이라는 성질을 가지고 있다. 코일에 전류가 흐르면, '전자석(Electromagnet)'이 된다. 전기를 띠고 스핀이라는 성질을 가진 전자도 이른바 빙글빙글 회전하는 전류를 발생시켜서, 전자석처럼 자기력을 갖는다.
전자는 모든 물질에 포함되어 있다. 하지만 '상온에서 자석이 되는 성질이 가진 금속(강자성 금속)'은 '철(Fe)', '코발트(Co)', '니켈(Ni)' 3가지밖에 없다. 그러면 어떻게 '자석이 되는 물질'과 '그렇지 않은 물질'이 있는 것일까? 거기에는 '전자 자석의 방향'이 관계된다. '철(Fe)', '코발트(Co)', '니켈(Ni)' 이외의 원소들은, 원자 속에서 여러 개의 전자 자석이 서로 자기를 상쇄시켜, 외부로 자기력을 미치지 못하므로 '강자성(물질에 외부에서 자기장이 가해지지 않은 상태에서도 스스로 자기화되어 자석이 될 수 있는 성질)'을 가지지 않는다.
1-1. 영구자석과 못의 차이
냉장고에 붙이는 자석이나 네오디뮴 자석 등의 '자석(Magnet)'은 반영구적으로 자기력을 잃지 않는다는 의미에서 '영구자석(Permanent magnet)'이라고 한다. 이들 대부분의 '영구자석'은 주성분이 '철(Fe)'이다. 그런데 철제 못도 자석에 붙이면 그 끝에 '클립(clip)' 등을 붙일 수 있다. 일반적으로 자석과 같은 작용을 하는 것이다. 하지만 자석에서 못을 떨어뜨리면, 그 못에는 클립 등을 잡아당기는 힘이 사라져 버린다. 그 이유는 무엇일까?
사실은 영구자석이 되기 위해서는 원자 자석의 방향이 중요하다. 영구자석은 거의 모든 원자 자석의 N극과 S극의 방향이 일치되어 있다. 그에 비해 못의 내부는 일반적으로 원자 자석이 '자구(자기 구역)'로 나누어져 있다. 하나의 자구 안에서는 원자 자석의 방향이 일치되어 있기 때문에, '자구(자기 구역)'는 자석처럼 움직인다. 하지만 이웃한 자구의 N극과 S극이 서로를 상쇄시키기 때문에 물질 밖으로는 자기력이 미치지 못한다. 그래서 못은 자석의 성질을 갖지 못하는 것이다. 하지만 못에 자석을 붙이면 그 자기력을 받아 못 내부의 원자 자석의 방향이 일치될 수 있다. 물론 다시 못이 자석에서 떨어지면 못 내부의 원자 자석의 배열 방향이 바뀌어 못 전체로는 자기력을 잃어버린다.
그러면 영구자석이 반영구적인 자석이 될 수 있는 이유는 무엇일까? 그것은 바로 원자자석의 방향이 바뀌지 않도록 다른 종류의 원자를 섞어 넣기 때문이다. 그 원자가 억눌림으로써, 원자 자석의 방향이 바뀌는 것을 막는 것이다. 그래서 N극과 S극의 방향이 일치된 그대로 상태가 유지될 수 있다.
2. 전기장과 자기장
2-1. 자기장(Magnetic Field)
아래 그림은 자석이 만드는 자기력선의 모식도이다. 자석 주위에 쇳가루를 뿌리면 아래의 모식도와 같은 모양이 생긴다. 쇳가루가 자석의 영향을 받아 작은 자석으로 변해, N극과 S극이 서로 잡아당기듯 해서 정연하게 배열된 것이다. 자기력선이 존재하는 영역에 작은 자석을 두면, 그 장소의 '자기력선'의 방향으로 자기력을 받는다. 그리고 자석에 작용하는 자기력은 거리가 멀어질수록 약해진다. '자기력선이 생긴 공간(자기력선이 생긴 공간)'을 '자기장(Magnetic Field)'이라고 한다.
2-2. 전기장(Electric Field)
우리 주변에서 흔히 느낄 수 있는 전기 중에는 '정전기'가 있다. 고무풍선을 화장지 등으로 문질러서, '수류(수도꼭지에서 나오는 물의 흐름 등)'에 가까이하면 수류가 '정전기'의 힘으로 잡아당겨진다. 이것은 정전기를 띤 고무풍선이 주위에 '전기장'을 만들어서 전기를 띤 수류를 잡아당기기 때문이다. 이처럼 전기력을 끼칠 수 있는 공간을 '전기장(Electric Field)'이라고 한다. '전기장'에 전기를 띤 물체를 두면 그 물체는 힘을 받는다.
액체 위에 작은 섬유를 많이 띄우고 거기에 '양의 전기를 띤 물체'와 '음의 전기를 띤 물체를 넣으면' A와 B 같은 무늬가 생긴다. 아래는 이것을 모식도로 나타낸 것으로, 그림에서 화살표가 붙은 선을 '전기력선(Line of electric force)'이라고 한다. 양전기를 지닌 작은 입자를 새로 놓으면, A처럼 전기력선의 화살표 방향으로 전기력을 받는다. 음전기를 지닌 작은 입자를 새로 놓으면, B처럼 전기력선의 화살표 방향으로 전기력을 받는다.
3. 전자석(Electromagnet)
사람들은 옛날부터 '전기(electricity)'와 '자기(magnetism)'를 인식했다. 예컨대 '호박 등을 문지르면 정전기가 생기는 것', '천연 자석을 사용하면 철이 들러붙는 것', '방향을 파악하는 법' 등을 알고 있었던 것이다. 하지만 오래도록 '전기'와 '자기'는 완전히 다른 것이라고 생각되었다. '전기와 자기에 끊을 수 없는 밀접한 관계가 있음'을 알게 된 것은 19세기에 들어서부터이다.
1820년, 덴마크의 물리학자 '한스 크리스티안 외르스테드(Hans Christian Oersted, 1777~1851)'는 '도선(전기의 양극을 이어 전류를 통하게 하는 쇠붙이 줄)'에 전류를 흘렸더니, 그 주위에 두었던 '방위 자침'이 움직이는 것을 우연히 발견했다고 한다. 이것은 전류의 주위에 자기가 생긴다는 사실을 의미한다. 자침이 자기력선을 따르듯이 자기력을 받은 것이다.
전류가 자기력을 만들어 낸다는 것을 알게 된 다음에는 '전자석(Electromagnet)'이 만들어지게 되었다. '전자석(electromagnet)'이란 전류가 흐르면 자기화되고, 전류를 끊으면 원래의 상태로 되돌아가는 자석을 말한다. '코일(도선을 나선 모양으로 감은 것)'을 전원에 이어서 전류를 흘리면, 도선 주위에 자기장이 발생한다.
직선 모양의 도선에 전류를 흘리면 아래의 그림 [A]와 같은 자기장이 발생한다. 이때 자기장의 방향은 오른손을 쥐고 엄지손가락을 새웠을 때, 엄지손가락 방향이 전류의 방향이고 다른 손가락의 방향이 자기장의 방향이다. 그리고 이 도선을 둥글게 하여 코일 모양의 도선에 전류를 흘리면 아래의 그림 [B]와 같은 자기장이 발생한다. 즉, [B]와 같은 자기장은 둥근 모양의 전류가 만드는 자기장이 겹쳐져 만들어지는 것이다.
4. 전자기 유도
지금까지는 도선에 전류를 흘리면 자기가 발생함을 보았다. 영국의 물리학자 '마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791~1867)'는 '전류로 자기를 만들어낼 수 있다면, 반대로 자기로 전류를 만들어낼 수 있지 않을까?'라고 생각했다. 패러데이는 우선 자석을 코일 안에 두어 보았지만 전류가 움직이지는 않았다. 코일에 대해 자석을 움직여 보았더니, 그제서야 전원도 없는데 코일에 전류가 흘렀다. 이것이 바로 '전자기 유도(Electromagnetic Induction)'라는 현상이다. 물론 이것을 처음 알아차린 1831년에 한 실험은 좀 더 복잡한 내용이다.
'전류(Electric Current)'란 음전기를 띤 '전자(Electron)'의 흐름이다. 그리고 전자를 움직이려면 '전기장'이 필요하다. 그러면 '전자기 유도'에서 코일에 자석을 가까이함으로써 전류가 흘렀다는 사실은 무엇을 의미할까? 이것은 고리 모양 도선을 따라 전기장이 발생해, 그 전기장에 의해 전자가 움직였음을 의미한다. 자석 주위에는 '자기장(자기력선)'이 생긴다. 자석을 코일에 가까이한다는 것은 코일 내부의 자기장이 점차 강해지는 것을 의미한다. 실은 '자석을 가까이하면 코일에 전류가 발생한다'는 것은 '자기장이 변하면 주위에 전기장이 발생한다'는 것을 의미한다.
5. 발전기(Generator)
전자기 유도의 법칙을 응용한 대표적인 예로 '발전기'가 있다. '발전기(Generator)'는 코일 옆에 자석을 회전시킴으로써 교류 전류를 만들어낸다. 자석을 회전시킴으로써 코일을 관통하는 자기력선의 양이 증감해 '전류'가 생기는 것이다.
예컨대, 화력 발전소에서는 화석 연료를 태웠을 때 발생하는 열로 수증기를 발생시킨다. 그리고 고속 수증기의 흐름을 날개바퀴에 대고 회전시켜, 날개바퀴에 연결된 자석을 회전시킴으로써 전기를 만들어 내는 것이 발전기의 기본적인 메커니즘이다. 또 자석을 고정하고 코일을 회전시켜도 마찬가지로 전류가 생긴다. 이런 메커니즘으로 생기는 전류는 전류의 크기와 방향이 시시각각 변하는 '교류(Alternating Current)'가 된다.
6. 모터(Motor)
'모터(Motor)'는 전기를 사용해 회전 등의 운동을 일으키는 장치'로, 선풍기를 비롯해 대부분의 가전제품에 적용되어 있다. '모터(motor)'의 메커니즘은 '발전기(Generator)'의 메커니즘과 반대라고 할 수 있다. 모터는 전류가 흐르는 코일과 자석 사이에 작용하는 힘을 이용해 회전력을 만들어 낸다. 반면, 발전기는 회전력을 이용해 코일에 전류를 흐르게 한다.
자기장 속의 도선에 '전류'를 흘리면, 도선에는 정해진 방향으로 '힘'이 발생한다. 이때 '힘의 방향', '전류의 방향', '자기장의 방향'의 관계를 왼손으로 나타낸 것이 '플레밍의 왼손 법칙(Fleming's Left Hand Rule)'이다. '플레밍의 왼손 법칙'은 영국의 전기 공학자 '존 플레밍(John Ambrose Fleming, 1849~1945)'이 고안했다. '존 플레밍'은 1885년에 런던 대학 전기 공학과의 교수가 되었다. 그런데 학생이 '힘의 방향', '전류의 방향', '자기장의 방향'의 관계를 자주 틀리자, 뭔가 간단하게 기억할 방법이 없을까 생각하다가 고안한 것이 '플레밍의 왼손 법칙'이다. '플레밍의 왼손 법칙'은 왼손의 검지, 중지, 엄지를 사용한다. 먼저 이 3개의 손가락을 각각 직각으로 교차하도록 펴면, 엄지는 '힘의 방향'으로 향하고, 검지는 '자기장의 방향(N극에서 S극 방향)'으로 향하고, 중지는 '전류의 방향'으로 향하게 된다.
6-1. 도선에 작용하는 힘의 방향은 어떻게 정해질까?
그러면 도선에 작용하는 '힘의 방향'은 어떻게 정해지는 것일까? 전류는 도선의 주위에 동심원 모양의 '자기장'을 만든다. 그 자기장은 전류가 나아가는 방향에 대해 시계방향으로 돈다. 그런데 도선 주위에 만들어진 자기장은 '자석이 만드는 자기장'과 겹치게 된다. 겹친 자기장은 자기장의 방향이 같은 공간에서는 강해지고, 반대 공간에서는 약해진다. 즉, 도선 주위에 자기장의 세기에 차이가 생기는 것이다. 그 결과, 자기장이 강한 공간에서 약한 공간을 향해 자기장의 세기가 차이가 해소되듯이 도선에 힘이 작용한다.
도선이 받는 힘은 전자 하나하나가 받는 힘의 합계로 생각할 수 있다. 전자 등의 전기가 띤 입자가 자기장을 이동할 때 받는 힘을 '로렌츠 힘(Lorentz force)'이라고 한다.
6-2. 힘이 작용해서 코일이 회전한다.
도선에 작용하는 힘을 이용하는 대표적인 예가, '전지(Battery)'로 움직이는 '모터(Motor)'이다. '모터'는 자석 사이의 공간에 '코일(도선을 감은 것)'이 배치된 형태이다. 코일에 전류를 흘리면, '플레밍의 왼손 법칙'에 따라 코일에 힘이 작용해 코일이 회전한다.
모터의 코일이 붙은 부분에는 통을 절반으로 나눈 것 같은 '정류자(전류의 방향을 주기적으로 바꿔 전기자에 공급하는 장치)'라는 부품이 있다. 코일이 180° 회전하면, 정류자에 의해 코일에 흐르는 전류의 방향이 반대가 된다. 이 때문에 코일에 작용하는 힘은 항상 같은 방향으로 걸려, 코일이 계속 회전한다.