4. 전류의 자기 작용
1. 전류의 자기 작용
자석 사이에 자기력이 작용하듯이 전류가 흐르는 도선 사이에도 자기력이 작용한다. 자기력의 근원은 자석이 아니라 전류임이 연구 결과 밝혀졌다.
( 1 ) 자기장
① N극과 S극
나침반은 미세한 자기력을 따라 움직일 수 있도록 만든 작은 자석으로 지구상에서 나침반은 항상 일정한 방향을 따라 배열된다. 이는 지구가 하나의 거대한 자석이기 때문인데, 나침반의 바늘에서 북쪽을 가리키는 반쪽을 N극, 남쪽을 가리키는 반쪽을 S극으로 정의하였다.
② 자극과 자기력
자석 사이에 작용하는 힘을 자기력이라 하며 같은 극끼리는 서로 밀치는 척력이 작용하고, 다른 극끼리는 서로 끌어당기는 인력이 작용한다. 즉, N극과 S극 사이에는 인력이 작용한다.
③ 자기장 - 자석 근처와 같이 자기력이 작용하는 공간을 자기장이라 한다.
④ 자기장의 방향
한점에 나침반을 놓았을 때 N극이 가리키는 방향을 자기장의 방향이라 한다.
⑤ 자기장의 세기 - 자기력의 세기에 비례한다.
문] 다음 그림은 나침반 위에 놓인 도선이 화살표 방향으로 전류가 흐를 때 N극은 가리키는 방향은 어느 곳으로 움직이는가? 1
[해설] 직선 도선에 의한 자기장의 방향은 오른 나사의 법칙을 따르는데 진행 방향이 오른쪽이기에, 도선 아래쪽은 ① 번 방향으로 향하고 도선 위에 있다면 ④ 번 방향으로 움직일 것이다.
( 2 ) 자기력선
① 자기력선
어떤 공간에 나침반을 놓았을 때 N극이 가리키는 방향을 이은 선으로 자기장의 모습을 보여 준다.
② 자기력선과 자기장
자기력선상의 한 점에서 자기장의 방향은 그 점에서 그은 접선의 방향과 같다.
③ 자기력선의 간격이 좁을수록 자기장이 센 곳이다.
문] 다음 중 자기력선의 성질이 아닌 것은? 2
① N극에서 나와서 S극으로 들어간다.
② 자기력선이 중간에서 만나면 끊어진다.
③ 도중에 서로 만나거나 엇갈리지 않는다.
④ 자기력선이 조밀한 곳일수록 자기장의 세기가 크다.
[해설] 자기력선은 자석의 N극에서 나와 S극으로 들어가며, 연속적이고 끊어지지 않으며 서로 교차하지 않는다.
( 3 ) 직선 잔류에 의한 자기장
① 자기장의 방향
직선 도선의 근처에는 도선을 중심으로 하는 동심원 모양의 자기장이 형성된다.
② 오른나사의 법칙
직선 도선에 흐르는 전류의 방향으로 오른손 엄지손가락을 향하게 할 때 나머지 네 손가락이 감아 도는 방향이 직선 도선에 의한 자기장의 방향이 된다.
③ 자기장의 세기
도선으로부터의 거리에 반비례하며 도선에 흐르는 전류에 비례한다.
문] 다음 중 전류가 흐를 때 자침의 모양으로 옳은 것은? 2
(단, 자침의 극은
이다.)
[해설] 오른손의 엄지손가락이 전류의 방향을 가리키게 도선을 감아쥐면 나머지 네 손가락의 방향이 자기장의 방향이다. 자침을 지나가는 자기장의 방향을 찾아보면, ① 오른쪽, ② 왼쪽, ③ 오른쪽, ④ 오른 쪽 ⑤ 왼쪽이므로 일치하는 것은 ②이다
( 4 ) 원형 전류에 의한 자기장
원형 도선을 짧게 잘라 보면 하나의 직선 도선으로 볼 수 있고, 이들이 만드는 자기장이 합쳐져서 새로운 자기장을 만든다.
① 코일에 의한 자기장
원형 도선이 중첩된 형태로 코일의 내부에는 균일한 자기장이 형성되며 자기장의 모습은 막대자석이 만드는 자기장과 유사하다.
② 전자석
코일 안에 철과 같은 강자성체를 넣으면 코일이 형성하는 자기장에 철심이 자화되면서 철심이 만드는 자기장이 더해져 강한 자기장을 얻을 수 있다. 이를 전자석이라 한다.
문] 그림과 같이 자석의 N극이 코일에 접근할 때, 코일 위쪽에 생기는 자극과 검류계에 흐르는 전류의 방향은 다음 중 어느 것인가?2
① N극, ① ② N극, ②
③ S극, ① ④ S극, ②
[해설] N극이 코일에 접근하면 코일에서는 N극을 밀어내는 방향으로 전류가 유도되므로 ② 방향으로 전류가 흐른다.
2. 전류가 자기장 속에서 받는 힘
(1) 전자기력
전류가 흐르는 도선은 자기장속에서 힘을 받는데 이를 전자기력이라 한다.
① 전자기력의 방향
왼손의 엄지부터 세 손가락을 서로 직각이 되게 하고, 검지를 자기장의 방향으로, 중지를 전류의 방향으로 향하게 할 때 엄지가 가리키는 방향이 전자기력의 방향이 된다. 전자기력의 방향은 항상 자기장과 전류의 방향에 대하여 수직으로 작용한다.
② 전자기력의 크기
전자기력의 크기는 자기장의 세기에 비례하고, 전류의 세기에 비례한다.
문] 전류와 자기작용에 대한 다음 설명 중 바르지 못한 것은? 2
① 움직이는 전하는 자기장을 만든다.
② 도선을 오른손으로 감아 쥘 때 엄지가 자기장이다.
③ 전하의 흐름은 자기장을 만든다.
④ 도선 주위에 나침반을 놓으면 자기장을 알 수 있다.
[해설] 오른나사 법칙에 의하면 도선을 오른손으로 감아 쥘 때 엄지손가락의 방향이 전류의 방향이고 나머지 네 손가락의 방향이 자기장의 방향이다.
(2) 전자기력의 이용
① 전동기
자석 안에 코일을 놓고 코일에 전류를 흘려주면 코일에 전자기력이 작용하여 코일이 회전하게 된다.
② 전류계
자석 사이에 놓인 코일에 바늘을 달아서 코일에 흐르는 전류의 세기에 따라 회전하는 각도를 측정함으로써 전류의 세기를 측정하는 장치이다.
③ 전압계
전류계와 비슷한 구조로 전류가 전압에 비례하는 성질을 이용하여 전류 대신에 전압을 측정하는 장치이다.
(3) 전자기 유도의 이용
자전거의 전조등, 공중전화 카드와 전철표의 검색, 금속 탐지기, 자기 테이프, 변압기, 자동차의 점화 플러그, 스피커 등
문] 다음은 전자기 유도의 원리를 이용한 예이다. 이 중 변압기의 원리와 같은 것은 어느 것인가?
① 발전기 ② 녹음기 ③ 금속 탐지기 ④ 전기 용접기
[해설] 변압기는 전자기 유도 중 상호 유도 작용을 이용한 것이다. 상호 유도 작용은 변압기, 전기 용접기, 자동차의 점화 플러그에 높은 전압 등에 사용된다.
문] 코일 주위의 자기장이 변할 때, 코일에는 유도전류가 흐른다. 이 원리를 이용한 것은? 1
①발전기 ②전동기 ③전류계 ④전기난로
[해설] 자기장에서 전류가 받는 힘을 이용한 기계
[예]전류계, 전동기, 전압계