자기장

1 개요

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자기장의 모습
지구자기장의 모습

磁氣場 / Magnetic Field

물리학과 다니는 애인한테서 밤늦게 오는 톡이라고 한다

자장(磁場) 또는 자계(磁界)라고도 한다.

자기장은 공간상에 자기력의 크기와 방향을 나타낸 벡터장이다. 자기장을 상대성 이론에 따라서 관측자의 관성계를 변화시키면 전기장과 같아진다.

자기장을 확실하게 확인할 수 있는 방법이 바로 나침반을 이용하는 것이다.

태양에서 날려온 대전 입자가 지구의 자기장 때문에 지구 자기장의 극 부분인 남극과 북극으로 이끌려와 지구의 대기와 부딪히면서 일어나는 빛이 바로 오로라다. 이 자기장이 없으면 지구권의 생명체는 태양풍에 의해 그야말로 전멸. 2012년 지구 멸망설이 돌 때도 이 자기장에 관련된 떡밥이 가장 컸다. 화성의 경우 이 자기장이 없어져 생명체가 살 수 없는 환경이 되었다는 설이 있다.[1]

자기장을 B와 H로 표기하는 관습은 제임스 맥스웰이 1873년에 쓴 책 <A Treatise on Electricity and Magnetism>의 표기에서 유래하였다.

2 철가루 실험

이 자기장을 실제로 관찰할 수 있는 대표적인 실험이 자석을 이용한 철가루 실험이다. 종이 아래에 자석을 놓고 종이 위에 골고루 철가루를 뿌려 철가루가 배치되는 모양새를 살피는 것이다. 초등학교나 중학교 때 많이 해 봤을 것이다. 괜히 집에서 해 보려다가 바닥에 철가루 엎어서 어머니에게 등짝 스매싱

철가루가 섞인 용액이 든 용기 중간에 자석을 넣어 입체적으로도 볼 수 있다. 이 경우에는 기름에 넣어서 할 것. 구하기 쉽다고 물에 넣어서 하면 녹슨다.

자석에 붙은 철가루는 일일히 떼어내기가 곤란하니 미리 자석을 얇은 천이나 비닐로 감싼 후 실험하는 것이 편하다. 실수로 자석에 철가루가 덕지덕지 붙었어도 절망할 필요 없다. 철가루가 붙은 자석보다 더 강한 자석을 준비하여 비닐에 넣고, 더 강한 자력으로 철가루를 떼어내면 완벽하지는 않아도 쉽게 철가루를 뗄 수 있다. 그렇게 준비한 자석에도 철가루 붙이지 말고

3 관련 이론

3.1 플레밍의 왼손 법칙과 오른손 법칙

3.1.1 플레밍의 왼손 법칙

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자기장이 흐르는 영역에서 전류가 흐를때 그 방향이 자기장과 수직이면 전선이 받게 되는 자기력을 알려주는 법칙이다. 전동기에 적용되는 원리다. 같은 원리로 오른손 법칙이 있다. 위 사진의 옆면에 거울을 비췄을 때 보이는 모습이 오른손 법칙이라고 생각해도 된다.

고등학교 물리 혹은 그 이후의 과정을 배우는 오른손잡이 위키러를 위해 조언하자면, 잘 쓰지도 않는 왼손을 저렇게 펼쳐 자기장B, 전류I, 힘F에 대해 맞춰보는건 참 안타까워 보일 수 있다. 그러니 왼손법칙이지만 오른손을 쓰자. 우선 오른손의 손바닥을 위로 가게 한 후 네 손가락을 곧게 펴고, 엄지손가락을 90도가 되게 쭉 펴자. 각각 자기장은 손가락 네개, 전류는 엄지손가락, 그리고 힘은 손바닥이 가리키는 방향이다. 쉽게 외우려면 글자수로 외우면 된다. 왼손으로 저거 하면서 오른손으로 문제 풀면 개꿀인데... 차라리 왼손잡이한테 오른손 쓰라고 하지 왼손잡이 무시하냐 왼손법칙을 쓰려면 엄지 검지 중지 순서로 FBI를 기억하면 된다. 엄지가 F, 검지가 B, 중지가 I이다. 플레밍의 왼손 법칙은 사실 대학교 학부과정 이상에서 사용하는 벡터곱의 초기버전이라고 할 수 있다. 일반물리 이상 수준에선 [math] \vec{F} = q \vec{v} \times \vec{B} = I \vec{l} \times \vec{B} [/math] [2]로 표기하며, 방향이 그런 이유는 직교좌표의 기본 설정방향인 반시계를 따라 연산을 정의하기(물리량의 부호를 그렇게 정의했기) 때문이며, 오른손 말아쥐기 버전이 이를 단적으로 보여준다.

왼손 법칙이 실제로 어떻게 작용되는지 볼 수 있는 간단한 도구도 있다.

3.1.2 플레밍의 오른손 법칙

자기장이 흐르는 영역에 도선이 움직이면 생기는 유도전류의 방향을 알려주는 법칙이다. 발전기와 변압기에 적용되는 원리다. 왼손 법칙을 거울에 반사한듯한 모습을 가지고 있다.

  • 왼손 법칙의 엄지가 F(힘)을 의미했다면, 오른손 법칙의 엄지는 v(도체의 운동속도)의 방향을 의미한다.
  • 검지는 왼손 법칙과 오른손 법칙 모두 B(자기장)를 의미한다.
  • 왼손 법칙의 중지가 I(전류)를 의미했다면, 오른손 법칙의 중지는 e(기전력)를 의미한다.

쉽게 외우는 방법도 오른손 대신 왼손을 쓰면 된다.

[math] e = \vec{B} l \vec{v} [/math]라고 쓰며, 이 법칙 자체가 밑에서 서술된 패러데이의 법칙에서 유도될 수 있는 식이고, 패러데이 법칙보다는 특정한 상황에서만 쓰일 수 있는 법칙이기 때문에 사용빈도는 플레밍의 왼손 법칙에 비해 많이 적다. 물리학 쪽 보다는 공학 쪽에서 많이 쓰이는 법칙이다.

*미사카 미코토의 레일건을 알고 있으면 이 법칙을 쉽게 적용할 수 있다고 한다.

3.2 앙페르의 오른나사 법칙

따봉 도선에 전류가 흐를때 발생하는 자기장의 방향을 나타내는 법칙으로 오른 손가락의 방향으로 자기장이 생긴다.
f532.gif
이를 원형 도선에 적용하였을 경우 생기는 자기장을 나타내는 그림으로
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원형도선이 모인 코일의 경우 결과적으로 전류와 자기장이 바뀐 형태로도 적용된다. 이 원리가 대표적으로 사용된 예를 들어보자면 소리를 전기신호로 변환해주는 마이크가 있다.

3.3 비오-사바르 법칙과 앙페르(암페어) 법칙

이 문단은 비오-사바르 법칙 · 앙페르 법칙 · 암페어 법칙(으)로 검색해도 들어올 수 있습니다.

Biot-Savart's Law
Ampère's Law

비오-사바르 법칙은 정자기학 조건에서 전류가 흐르는 도선에서의 자기장을 구하는 식으로서, 식이 약간 어려워 고등학교 물리Ⅱ에서 살짝 언급되며 일반물리에서 본격적으로 배우게 된다.
mag_biotsavart_fig1.jpg
식은[math] \displaystyle d \vec{B} = \frac{ \mu_0}{4 \pi} \frac{Id \vec{l} \times \vec{r}}{r^2} [/math]로 나타낸다.

그리고 앙페르 법칙은 맥스웰 방정식의 제4 방정식으로 역시 전류가 흐르는 도선에서의 자기장을 구할때 유용하게 사용된다. 식은[math] \displaystyle \oint_{ \partial \Sigma} \mathbf{B} \cdot d \mathbf{l}= \mu_{0} \iint_{ \Sigma} \mathbf{J} \cdot d \mathbf{S}+ \mu_{0} \epsilon_{0} {d \over dt} \iint_{ \Sigma} \mathbf{E} \cdot d \mathbf{S}[/math]로 보통은 변위전류항인 [math] \displaystyle \mu_{0} \epsilon_{0} {d \over dt} \iint_{ \Sigma} \mathbf{E} \cdot d \mathbf{S}[/math]을 뺀 [math] \displaystyle \oint_{ \partial \Sigma} \mathbf{B} \cdot d \mathbf{l}= \mu_{0} \iint_{ \Sigma} \mathbf{J} \cdot d \mathbf{S}=\mu_0 I [/math]로 구할 수 있다. 그러나 식에서 알 수 있듯이 식 자체가 어려워 대칭성이 분명한 경우를 제외하면 별로 쓰이지는 않는듯 하다.

앙페르 법칙에 관해서 좀 더 자세한 내용에 대해서는 앙페르의 법칙 문서를 참조하십시오.

3.4 렌츠의 법칙과 패러데이의 전자기 유도 법칙


Lenz's law
Faraday's law of electromagnetic induction
렌츠의 법칙은 코일에서 발생하는 유도기전력은 코일을 통과하는 자속의 변화를 방해하는 방향으로 나타난다는 법칙이다. 첫 번째 그림에서 자기선이 나가는 방향인 N극이 다가오므로 코일 내부의 자속은 늘어난다. 이때 유도기전력은 자속의 변화를 방해하는 방향, 즉 분홍색 화살표 방향으로 자기장이 생성될 때의 방향으로 앙페르의 오른나사 법칙에 의해 전류가 흐른다.
패러데이의 전자기 유도 법칙은 자기장의 변화[3]가 전기를 유도한다는 법칙으로 이때 발생하는 유도기전력의 크기는 자속의 변화율과 같다는 법칙으로 맥스웰 방정식의 제3 방정식으로 표현된다. 식은 [math] \displaystyle \oint_{\partial\Sigma}\mathbf{E}\cdot d\mathbf{l}=-\frac{d}{dt}\iint_{\Sigma}\mathbf{B}\cdot d\mathbf{S} = -\frac{d}{dt} \Phi_B[/math]로 나타낸다. 간단한 경우에서는 기전력[math]\displaystyle \epsilon = -\frac{d}{dt} \Phi_B[/math]이 되어 기전력이 플럭스의 시간에 대한 변화량에 비례한다는 것을 알 수있다. 이는 태양광 발전을 제외한 모든 발전기[4]에서 전기를 만들어 내는 원리이다.

전자기 유도 법칙이 실제로 어떻게 나타나는지 알아보는 실험이다.

4 B Field와 H Field

같은 자기장을 나타내는 기호이지만, 다르다. 이것은 전기장에서의 E(전기장)와 D(변위전류)의 관계와도 유사하다.

H 는 매질과 무관하기 때문에 실험적으로 조절하는 것이 간단하다. B는 전자기유도를 일으키는 역할을 한다. 따라서 맥스웰은 H를 자기장, B를 magnetic induction이라 불렀지만 현대에 들어선 B를 자기장으로, H를 자화력, magnetic field strength, magnetizing field 등으로 부르는 것이 일반적이다. 자기장을 H로 표현하는 교과서로는 Landau&Lifshitz 와 Jackson 이 있고 B로 표현하는 교과서로는 Griffiths 가 있다. 전기장과 달리 자기장에서는 실험적 편의 때문인지 D와는 비교도 할 수 없을만큼 H가 자주 언급되기 된다. 관계식으로 나타내면 다음과 같다.

[math] B=H+M (cgs) =[/math]
[math] B=\mu_0 H+M (mks) [/math]

5 활용

우리 생활에 없어서는 안 될 원리다. 전자기 유도 법칙에 의해 자기장 속의 도선이 움직이면 전류가 발생한다는걸 발견하였고, 이를 통해 전지를 만들어서 전기를 사용하다 동력을 이용해 직접 전기를 만들 수 있게 된 것이다. 여기다가 증기기관의 발명은 전기의 시대를 만들었다. 현재 인류가 사용하고 있는 전기 중에서 태양광 발전을 제외한 모든 발전소는 터빈을 돌려 이로 인해 생긴 플럭스 변화를 이용해 전기를 생산한다. 발전기 항목을 참고.

이외에도 교통카드 또한 전자기 유도 법칙을 사용한다. 단말기(카드를 찍는 곳)는 강한 자기장을 흘려주고, 여기에 카드를 가져다 대면 카드 안에 감싸진 코일(도선)이 전력을 생산하고, 연결된 칩이 작동하여 정보를 쏘는 것. 그리고 고압선에 흐르는 자기장을 이용해 발전하는 연구도 진행 중에 있다. RFID 항목과 NFC 항목을 참고하면 좋다.

컴퓨터의 저장장치인 하드디스크는 자기장을 이용하여 데이터를 읽고 쓴다.

6 여담

스타크래프트 유즈맵 미사일피하기의 방어 기술 이름이기도 하다. 해당 기술을 사용할 시 적팀 미사일들의 경로를 한 곳으로 모이게 하여 회피하기 쉬워진다. 다만 팀원이 피하고 있을 때 쓰면 높은 확률로 팀킬을 하게 된다(...)

자기 장?
안 장.

"인체 자기장"을 구글에 검색해보면 음이온, 물답알, 단월드 급의 유사과학들이 무더기로 쏟아져나온다. 아아아아악!!!!

7 단위

자기장의 크기는 보통 자기 선속의 밀도로 표기한다. 자기 선속은 말 그대로 한 단면을 지나가는 자기력선의 개수라고 생각하면 된다.이는 어떤 단면에 작용하는 총 자기장을 의미하며, 단위는 Wb이고, 기호는 그리스 대문자 Φ(파이)를 사용한다. 자기력선의 성질 중 자기력선의 밀도가 클 수록 자기장의 세기가 세다는 성질이 있고, 이를 그대로 반영하여 자속을 면적으로 나눈 것을 자기장의 크기라 정의한다. 이 자속밀도의 단위는 T로 표기하며, 1 Wb/m² = 1 N/A•m 이다. (단위 면적 당 지나가는 자기선속 수) 하지만 저 테슬라가 워낙 큰 단위인지라, 실생활에서는 보통 G(1T=10000G)를 사용한다.

CGS 단위계에선 H 를 나타내기 위한 단위 에르스텟(oersted, 줄여서 Oe)이 존재한다. 에르스텟은 단위 자기극에 1 다인의 힘이 작용할 때의 세기로 정의된다. B를 가우스로 표현했을 때 다음의 관계가 성립한다.
[math] B(G)=\mu_r H (Oe) [/math]

8 관련 문서

9 서브컬처에서 해당 속성을 가진 캐릭터

가상매체에서 주로 이 속성과 함께 전기를 다룰 수 있는 능력을 동시에 가진 캐릭터가 있다.

  1. ↑ 지구는 액체 상태의 철로 구성된 외핵이 대류를 통해 움직이면서 자기장을 발생시키지만 화성은 질량이 작아 과거에 이미 외핵이 냉각되어 굳어져버려 자기장이 사라졌는데, 어차피 태양과의 거리가 멀다 보니 도달하는 태양풍이나 자외선이 적어 생명체의 생존과 크게 상관 없다는 설도 있다.
  2. ↑ [math] \vec{l} [/math]은 전류가 흐르는 방향의 벡터이다
  3. ↑ 실제로는 자기 플럭스([math] \Phi _{B}= \int BdA [/math])가 있으면 기전력이 유도된다.
  4. ↑ 태양광 발전기는 광전효과를 사용한다.