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우리들 주위에는 전기제품이 넘쳐흐르고 있다. 우선 아침에는 자명종시계로 눈을 뜨고 라디오와 TV를 키면서 몸단장을 한다. 그리고 토스터와 전자레인지로 아침식사를 준비하고 식사가 끝나면 출근한다. 회사까지의 교통수단은 전차와 버스 혹은 승용차 등이다. 직장에 도착하면 OA기기에 둘러싸여 일을 하는 것이다. 이같이 하루에 아주 일부를 봐도 어느 만큼 전기의 도움을 받고 있는지 알 수 있다. 그런데 전기라는 말은 누구나 알고 있지만 자기란 무엇인가 라고 물어도 명쾌한 대답은 없다. 어느 사람은 자석이다 라고 말하고 또 누구는 N극, S극을 가진 보이지 않는 힘이다 라고 말한다. 그리고 다른 사람에게 물으면 철을 당기는 힘이다 라는 대답이 돌아온다. 이런 것이 틀리지는 않지만 충분하다고는 말할 수 없다. 자기를 한 마디로 정의하는 것은 대단히 어렵지만 일반적으로는 다음과 같이 이해해 주길 바란다. 자기라는 것은 강자성체의 원자(원소)를 포함하는 원자핵 속의 양성자(+)의 주위를 회전하는 부대전자가 그 근원이다. 결국 전자가 원자핵 주위를 빙글빙글 도는 것으로 전류가 되고 이것에 의해서 자기에너지가 발생한다. 이 현상은 덴마크의 물리학자 에르스테드(외르스테드)가 발견했다. 또한 원소에는 다양한 종류가 있고 그 성질도 조금 차이가 있기 때문에 전자의 수가 많은 금속류가 반드시 다량의 자기를 발생한다고는 할 수 없다.
전기는 방을 밝게 하거나, 물건을 따뜻하게 하거나, 차갑게 할 수 있다. 또, 걸으면서 음악을 듣거나 전화를 걸 수도 있다. 게다가 전차를 움직이고, 에스컬레이터나 엘리베이터를 움직이는 것도 전기이다. 이와 같이 전기는 대단히 편리한 에너지이지만, 그것은 어디까지나 전류의 움직임에 의해서 이다. 결국, 모든 전기 제품은 거기에 전류가 흐르는 것으로, 처음으로 그 목적을 다하는 것이다. 그런데 전류(전기)의 작용은 크게 세 가지로 분류할 수 있다. 우선 첫 번째는 전류의 발열 작용이다. 이것은 필라멘트와 니크롬선 등에 전류를 흐르게 함에 의해서 발생하는 쥴열을 이용한 것이다. 구체적인 제품으로서는, 전구와 전기다리미, 전기스토브 등이 있다. 두 번째는 전류의 자기 작용이다. 이것은 전선 등의 도체에 전류를 흐르게 하면 전계와 자계가 생기는 현상으로, 이것을 이용한 것으로는 모터, 전자석, 스피커, 라디오, TV등이 있다. 그리고 세 번째가 화학 작용이다. 이것은 전기의 움직임에 의해서 다양한 물질에 화학변화를 일으키는 것으로, 우리들 주위의 제품으로서는 건전지와 축전지가 있다. 이 삼대작용 중 발열작용은 다른 에너지, 예를 들면 석탄, 석유, 천연가스, 목재 등으로 대체할 수 있다. 그러나 전류의 자기작용 화학작용은 다른 에너지로 대체할 수 없다. 따라서 전류를 유효하게 쓰기 위해서는 발열작용으로서의 사용법을 가능한 한 피해야만 한다. 다음으로 자기작용과 화학작용을 비교하면, 현실에서는 자기작용에 의한 전기에너지의 소비가 압도적이다. 전술한 발열작용의 경우에도 전류가 흐르는 경로(필라멘트와 니크롬선)에는 그 전류에 대응한 자기에너지가 발생한다. 이처럼 전류의 자기작용은 전기에너지와 함께 존재하는 것이다.
전선에 전류를 흐르게 하면 그 주위에 자력선이 발생한다'―이것은 덴마크의 물리학자 에르스테드에 의해 발견된 물리현상 이다. 그림 2-12같이 오른쪽 나사를 잠그는 방향으로 전류를 흐르게 하면 오른쪽 나사를 잠그는 회전 방향(우)에 자력선이 발생하고 역으로 오른쪽 나사를 느슨한 방향으로 전류를 흐르게 하면 오른쪽 나사의 완만한 방향(좌)에 자력선이 발생한다. 이 현상은 프랑스의 물리학자 암페르가 체계화했기 때문에 암페르의 오른쪽 나사 법칙이라고 불리고 있다. 단 이것은 편의상의 호칭이고 공식적인 것은 없다. 오른 나사법칙은 전류와 자력선을 바꿔 넣어도 같다고 할 수 있다. 결국 오른쪽 나사의 진행방향에 자력선을 통과하면 오른쪽 나사의 회전방향에 전류가 흐른다. 이같이 자력선이 있는 곳에는 반드시 전류가 있고 양자는 표리일체의 관계에 있다.
지구는 자기를 두른 하나의 천체이기 때문에 우리들은 매일 자기 에너지(자력선) 속에서 생활하고 있다. 그러나, 그 레벨은 0.3∼0.5가우스(G)정도로 상당히 적어 일반적으로 지구의 자기에너지(지자기)는 무시할 수 있다. 최근 이러한 미약한 자기에너지라도 생태계에 여러 가지 영향을 주고있는 것을 조금씩 해명해가고 있다. 예를 들어, 전서구(비둘기)의 귀소, 연어, 다랑어 등의 회유어와 철새의 이동 등이다. 또 인간사회에는 나침반(방위 자침)이 있고, 이것은 미약한 지구자장(지자기)을 검지해서 남북방향을 나타낸다. 이러한 미약한 지자기를 교묘하게 이용하는 덕분에 목표물이 보이지 않는 바다 위에서도, 선박을 안전하게 항해할 수 있다. 지자기는 영국 물리학자이자 엘리자베스2세의 시의(侍醫)였던 길버트(1544∼1604년)에 의해서 발견되었다. 길버트는 실에 매어 단 막대자석이 남쪽을 가리키는 것에서 지구가 하나의 거대한 자석이라는 것을 알고 실험을 반복한 끝에 자설(自說)을 입증했다. 상세한 해설은 생략하지만, 길버트는 그림1-5와 같은 수평 분력Ho, 복각△, 그리고 편각(방위각)θ의 3요소로 지자기에 의한 자계의 강도(지자기의 강도)를 설명하고 있다.
앞에서 지구는 자기에너지를 두른 하나의 천체로 인류는 먼 옛날부터 자기에너지의 지배 하에서 살아왔다고 기술했다. 지자기(지구를 둘러 싼 자기에너지)의 레벨은 상당히 미약하다고는 하지만 역시 인간에게 뭔가 영향을 주고있는 듯하다. 그러면, 인간은 몸 어딘가에서 자기에너지를 감지하고 있을까? 대답은 'Yes'다. 인간이 자기에너지를 감지하는 것을 증명하는 연구보고는 몇 가지 있지만, 가장 최근의 것으로는 「방향음치」등의 말에 대표적인 방향감각을 들 수 있다. 자신이 방향감각이 둔한지, 아닌지를 확인하기 위해서는 지도를 가지지 않고 모르는 지방을 여기저기 걸어 보면 된다. 방향감각이 둔한 사람은 길을 잃어버리고 심한 사람은 원래 장소에 되돌아오지도 못하는 경우조차 있다. 또 혼자서 운전을 하고 있을 때 길을 잘 잃어버리는 사람도 이 부류에 속한다. 그러면 이 방향감각은 도대체 어디에서 나오는 것일까? 그것은 인간체내에 존재하는 나침반(자기센서)의 역할에 의한 것이다. 일반적으로 두개골 내부 또는 부신피질(副腎皮質) 속에 감자성 물질이 있어 그것에 의해 방향감각을 유지하는 것은 아닐까 라고 한다. 인간의 자기 나침반은 일종의 방위 자침의 역할을 하고있어 미약한 지구자장을 정확하게 검지해서 그 신호에 의해서 방향을 파악한다. 이 체내(자기)센서의 움직임이 뛰어난 사람은 방향감각이 좋고, 반대로 방향감각이 둔한 사람은 체내센서의 움직임이 약한 것은 아닐까 생각한다.
대사전에 의하면 전기는 「마찰전기와 방전·전류 등, 넓게 전기현상을 일으키는 원인이 되는 것」이라고 정의하고있지만, 이 해설은 그다지 이해가 잘 안 된다. 여기에서 조금 더 쉽게 설명하면 보통 겨울동안 발생하는 화학섬유의 정전기, 어둠을 밝게 비추는 조명, TV와 라디오, 모터 등의 동력원, 에너지원을 총칭해서 전기라고 부른다. 이것에 대해서 자기는 「자석의 상호작용 및 자석과 전류의 상호작용 등의 근원이 되는 것」(대사전)이라고 정의하고 있지만, 알기 쉽게 말하면 철과 니켈을 당기는 눈에 보이지 않는 에너지이다. 전기와 자기는 본질적으로는 다른 것이지만, 상당히 밀접한 관계가 있다. 전기는 모든 원소 속에 포함되는 원자핵인 양자(+)와 이것을 둘러싼 전자(-)가 그 근원이 된다. 전자가 회전운동을 하고 있을 때 그곳에는 회전전류가 존재하게 되고, 즉 우회전의 법칙이 성립된다. 고등학교 과학수업에서 배웠겠지만, 우회전의 법칙이란 「우측으로 감을 때 돌아가는 방향으로 전류를 흘리면 우측으로 감는 회전방향에 자계가 발생한다」는 것이다. 즉 전류(전기)가 있는 곳에는 반드시 자계(자기)가 존재하는 것이다.
소리와 빛에 강약이 있듯이 자기에너지에도 강약이 있다. 그러나 우리들 곁에 늘 있는 자기에너지의 레벨(범위)은 상당히 넓기 때문에 일반적인 자기센서로는 전부를 계측할 수 없다. 모터 및 일반적인 전자장치는 1∼10가우스(KG)정도이고 지자기는0.5가우스(G)정도이다. 이것들보다도 저자장인 것에는 인간의 뇌파와 심장 내를 흐르는 심 전류에 의한 심자장(심자속)심 자장이 있다. 어쨌든 이 정도의 저 자장이라면 센서도 상당히 특수한 것이 필요하게 되고 조셉선 소자를 이용한 초전도 양자간섭 장치 자속계(SQUID:스퀴드)등이 사용된다. 이 센서를 사용할 경우 자기 센서부를 액체헬륨에 넣고 극저온상태를 유지해야 한다. 사진은 가우스메타(자속계)로 센서부에 홀 소자를 사용한 것이다. 홀 소자를 사용한 자속계는 여러 종류가 있지만 사용소재로는 인듐(In)·비소(As), 갈륨(Ga)·비소, 인듐·안티몬(Sb) 등이 일반적이다. 계측범위는 0.01mT∼3정도이다.
자석의 기본적인 성질로써 동극동사에서는 서로 떨어지려고 하는 반발력이 이극간에서는 서로 당기려고 하는 흡인력이 작용한다. 또한 자석의 흡인력을 흡착력, 자석의 반발력을 척력이라고 부르는 경우가 있다. 자석의 동극 또는 이극간에 작용하는 힘F(N)의 크기는 ①식으로 얻어진다. m₁, m₂는 자극의 세기, r은 양극간의 거리 K는 비례 정수이다. 이 식의 형태를 보면 정전기의 정전유도에 관한 크롬법칙과 같기 때문에 양극간의 작용하는 힘은 전하에 작용하는 힘과 같다. 전하라는 것은 물체가 띄고 있는 정전기의 양으로 전기량 또는 전기소량이라고도 한다. 전하의 단위에는 국제적인 SI 단위계가 사용되고 있지만 그다지 특별한 것은 아니다. 이것은 길이를 미터(m), 시간을 초(sec), 질량을 킬로그램(kg), 전류를 암페어(A)로 설정한 것에 지나지 않기 때문이다. 1A의 전류가 일 초간에 옮겨지는 전류량을 1크롬(C)이라고 정하고 있다. 예를 들면, 1C의 전하를 가진 진공중의 작은 물체 사이에 작용하는 정전기력은 거리를 1m로 하면 그 사이의 정전기력 F는 ②식이 된다. 이 식의 비례정수 K는 9.0*109 이기 때문에 정전기력은 9.0*109 뉴턴(N)이 된다. 따라서 1N은 0.102kg중(kg·f)에 해당한다. F(N)= K(m1·m2)/r2 …①식, F(N)=K(q1·q2)/r2…②식
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첫댓글 호오,,,,,,,