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전류를 만드는 자기장

자기장은 자석이나 전류에 의해 생기지만 여기서는 전류에 의한 자기장, 특히 자기장의 세기에 대해 조사해 보자. 전류를 만드는 자기장의 세기를 조사하는 방법은 2가지가 있다. 그 하나는 실험에 의한 방법이고 다른 하나는 앙페르 등이 발견한 계산에 의해 구하는 방법이다. 이 2가지 방법으로 전류를 만드는 자기장의 세기를 알아보도록 한다.

직선 전류에 의한 자기장

실험에 의한 방법

實驗－方法 왼쪽 그림과 같이 나침반을 놓고 그 위쪽에 남북 방향으로 도선을 걸쳐 놓는다. 이 도선의 남쪽방향으로 전류를 흐르게 하면 북쪽을 향해 있던 나침반의 N극은 동쪽으로 약간 방향을 바꾸어서 정지한다. 북쪽으로 전류를 흐르게 했을 때에는 반대로 서쪽으로 방향을 바꾸어서 정지한다. 나침반의 N극이 북쪽으로 움직여 정지하는 이유는 이 N극에 작용하는 자기력이 지자기에 의한 것과 전류의 자기장에 의한 것이 함께 작용하기 때문이다. 이때 나침반의 N극의 자극 강도를 m(Wb), 지자기의 수평 분력을 H0(N/Wb), 전류에 의한 자기장의 세기를 H0(N/Wb) ,나침반이 움직인 각을 θ라 하면 mH=mH0 tanθ이다. 도선을 흐르는 전류의 세기를 바꾸면 θ도 변한다. 이것은 전류 I의 변화에 따라 전류에 의한 자기장의 세기 H가 변한다는 것을 나타내 주고 있다. 왼쪽 아래 그림은 I와 θ(tanθ)의 측정 예이다. 이 그래프에서 I와 tanθ가 비례하고, 그 결과 I와 H와는 비례한다는 것을 알 수 있다. 음으로 도선을 흐르는 전류는 변화시키지 않고 나침반에서 도선까지의 거리 r을 바꾸어서 θ(tan B)가 어떻게 변하는가를 조사해 보자. 측정예에서도 r과 tanθ의 곱이 일정하다는 것을 알 수 있다. 즉 tanθ는 r에 비례하므로 H는 r에 반비례한다. 이와 같은 실험 결과에서 직선 전류에 의한 자기장의 세기 H는 전류의 세기 I에 비례하고, 그 도선으로부터의 거리 r에 반비례한다고 할 수 있다.

전자석

전류와 자석

電流－磁石 자기장을 만드는 것이 자석과 전류라는 것을 알았다. 이제 어떻게 해서 이 두 가지가 자기장을 만드는 근원이 되는지 생각해 보자. 솔레노이드 코일의 바깥쪽과 막대 자석과는 비슷한 점이 많다. 이것은 자석 내부에는 전류에 대응하는 것이 있어서, 이것이 자석의 자기력선을 만들어내고 있다고 가정할 수 있다. 이 전류에 대응하는 것으로는 몇 가지를 생각할 수 있다. 예를 들면, 원자핵을 중심으로 하여 도는 전자, 이것이 원형 전류에 대응하는 것이 아닐까 하는 가정이다. 이 가정을 바탕으로 다시 연구해 가면 원자는 1개의 작은 자석과 같이 행동한다는 설명이 가능하다. 또 이 가정에 의하면 영구 자석의 잘린 부분에는 같이 전자의 운동에 의한 작은 전류가 흐르고 있는데, 서로 반대 방향으로 흐르고 있는 곳은 소멸된다고 생각할 수 있다. 그러므로 둘레 부분의 전류만이 남아. 솔레노이드 코일과 같은 자기장을 만든다는 것을 이해할 수 있다. 이상과 같이 영구 자석에 대한 현상을 원자핵 주위를 도는 전자가 전류에 대응되고 이에 의해서 자기장이 생긴다고 생각해도 모순되는 점이 없음을 알 수 있다. 자기장을 만드는 현상을 살펴볼 때 자석과 전류를 각기 다른 것으로 다루어 왔으나 그 내부 기구까지 규명해 보면, 자석은 전류의 작용을 바탕으로 전류의 작용에서 설명할 수 있다. 즉, 자석과 전류에 의한 현상은 같은 요인에 의한 것이라는 것이다. 그런데 원자 수준에서 전류에 대응하는 것이 원자핵을 도는 전자의 운동이라고 하였으나, 연구가 진행됨에 따라 더 유력한 것을 알게 되었다. 그것은 전자의 스핀이라 불리는 것인데, 전자가 원자핵을 중심으로 도는 것을 '전자의 공전'이라 한다면, '전자의 스핀'이라고 하는 것은 전자의 자전에 해당하는 것이다. 이 전자의 스핀이 자석의 자성에 강하게 관여하고 있는 것이다.

자기장과 자속 밀도

磁氣場－磁束密度 솔레노이드 코일에 연철 막대를 넣으면 같은 세기의 전류라도 외부의 자기장은 강해진다. 강해지는 이유는 솔레노이드 코일의 자기장에 의하여 연철 막대가 자화되어, 결과적으로는 외부에 대하여 처음 코일만의 자기장에 자화한 연철 막대에 의한 자기장이 더해지기 때문이다. 이번에는 그러한 것을 생각해 보자. 지금까지 자기장을 나타내는 데 H(A/m)를 사용해왔다. 그러나 전자석과 같이 자기장 속에 연철 막대 등의 다른 물질을 넣었을 때에는, 자기장의 상태를 나타내는 양으로 자속 밀도를 사용하는 것이 좋다. 이 자속 밀도는 보통 B라는 기호로 표시되고 단위는 (Wb/㎡)이다. 자기장을 나타내는 H와 B의 관계는 부피 V와 질량 M과의 관계와 비슷하다. 예를 들면, 알코올의 양을 나타내기 위해서는 부피 V면 족하다. 그러나 물과 혼합했을 때 부피는 양자의 부피를 합한 것보다 작아지지만, 질량은 양자를 합한 것과 같으므로 질량으로 나타내면 적합하다. 기장의 양을 나타내는 데도 비슷한 사정이 있다. 자석이나 전류만을 다를 때에는 H를 사용하면 문제될 것이 없지만, 전류와 연철 막대가 동시에 작용하는 경우에는 또 하나의 양, 자속밀도 B가 있으면 편리한 것이다. 그것은 자기장 H는 물질 표면에서 불연속이 되지만, 자속밀도 B는 자화한 물질의 안쪽과 바깥쪽에서 같은 값을 가질 수 있기 때문이다. 또, 어떤 물질의 질량을 M(g),체적을 V(㎤), 그 물질의 밀도를 P(g/㎤)라 하면 그 관계는 M=pV로 나타낼 수 있다. H나 B도 이와 똑같은 관계가 있으며, 솔레노이드 코일만일 때 내부 자기장은 β=μ0×(μ0H)로 나타낼 수 있다. μ0는 진공의 투자율이라고 불리고, 그 값은 μ0=4π×10－7(N/A2)이다. 이것에 연철 막대를 넣으면 β=μ0×(μ0H)가 된다. μγ은 비투자율이라 불리고 물질에 따라 다른 값을 가진다. 이것을 B=μH로 나타내면 μ=μrμ0를 그 물질의 투자율이라 한다. 20cm의 원통에 도선을 1,000번 감고 2A의 전류를 흐르게 했을 때, 솔레노이드 코일의 내부의 자기장의 세기 H=l×l04(A/m)이고, 자속 밀도 B는 β=μ0H=(4π×10－7)×104=4π×10－3(Wb/㎡)이다. 여기에 파마로이라고 하는 철의 합금을 넣으면 8000배 정도가 된다.