자기장에 대하여

전기공학-전자기학에선 크게 전기장에 대한 해석과 자기장에 대한 해석으로 나뉜다고 할 수 있습니다.

이 전기장과 자기장 사이에는 과연 연관성이 있을까요? 과학자들도 이 둘의 연관성을 찾는데 굉장한 어려움을 겪었습니다.

이전 까지는 포스팅 글에서 전기장에 대해서 이야기했었습니다. 이번 포스팅에서는 전기장이 아닌 자기장에 대하여 이야기를 해보겠습니다.

자기장과 전기장

1820년, 덴마크의 과학자 에르스텟은 도선에 흐르는 전류에 의해 자기장이 발생했다는 아주 놀라운 사실을 발표했습니다.

자기장의 방향은 도선과 수직이었고 도선의 축을 중심으로 원 모양을 이루었습니다.

에르스텟의 발견 이전에는 대부분의 과학자들은 전기와 자기는 서로 아무런 관련성을 갖지 않는다고 생각했습니다.

수 세기동안 과학자들은 전기장과 자기장을 따로 연구해왔습니다. 몇몇 연구자들은 두 장이 어떤 식으로든 연관이 있을 것이라고 축측은 하였지만, 누구도 이들 사이에 존재하는 관계에 대한 이론을 수립하진 못하였습니다.

에르스텟은 정상전류, 다시 말해 직류전류가 일정한 정자기장을 발생한다는 사실을 입증했습니다.

그의 발견은 교실에서 이루어졌는데요, 도선에 전류가 흐르면 도선이 달궈져 열과 빛을 내는 현상을 보여주는 실험강의에서 였습니다.

도선을 배터리에 연결했을 때 도선 근처에 놓인 나침반 바늘이 갑자기 도선과 거의 수직을 이루는 위치로 움직인 것입니다.

전기와 자기는 별개의 현상이 어니었던 것입니다. 이 둘이 어떤 식으로든 연결되어 있는 것이 분명했습니다.

자유공간 속에 놓인 정상전류(직류전류)에 대해 살펴보면, 정상전류에 의해 발생하는 자기장은 일정합니다.

즉 시간에 따라 변하지 않는데요, 여기서는 이러한 정적인 자기장인 정자기장을 다루게됩니다.

실제 상황에서는 교류전원을 다루는 일이 많은데, 자기장이 시간에 따라 천천히 변하는 경우에는 정자기장 해석을 아주 유용하게 적용할 수 있습니다.

자기유도, 즉 자기 선다발밀도 B를 정의하기 위해 먼저 작은 시험전하 q를 생각해보겠습니다. 전하 q는 전기장 E와 자기장 B가 모두 존재하는 영역에 놓여 있다고 하겠습니다. 전하 q가 정지해 있는 경우, 이 전하는 전기력 Fe만 받습니다.

Fe=qE

전하 q가 움직이고 있는 경우, 이 전하는 전기력 외에 다음 식으로 표시되는 자기력 Fm을 추가로 받습니다.

Fm=qv x B

따라서 움직이고 있는 전하가 받는 총 힘 F는

F=q(E+v xB)

와 같으며, 위 식을 로렌츠 힘 방정식이라 합니다. 이 식을 이용하면 E와 B를 직접 측정하여 구할 수 있습니다. 시험 전하가 정지해 있으면 v=0입니다.

이때 힘을 측정하면 이 힘은 전기력이므로 E를 구할 수 있습니다. 일단 E를 구한 다음, 서로 수직인 두 방향에 대해 각각 v의 속도로 움직이는 시험전하에 가해지는 힘 F를 측정하면 B를 구할 수 이습니다.

B의 정확한 용어는 자기 선다발밀도 또는 자기 유도이지만, 자기장이라고 부르는 경우도 많습니다.

B의 단위는 테슬라로 줄여서 T로 씁니다.

이번 포스팅에서는 전기장 E가 아닌 자기장 B에 대하여 알아보았습니다.

전자기학 앞의 파트에서 전기장에 대해 학습한다면 뒤에 파트에서 자기장에 대하여 학습을 하는데요, 말하였듯이 둘 사이에는 연관성이 있어 상당히 내용이 유사합니다.

때문에 전기장 파트를 제대로 공부하셨다면 자기장 파트는 학습하는데 수월하실 것입니다.

다음 포스팅에서는 자기장 파트에 대하여 더 알아보도록 하겠습니다.