전류와 자기의 관계
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전류와 자기의 관계
19 세기의 많은 과학자들은 놀라운 창의력과 실험정신으로 현대문명에 기여할 많은 기초과학적인 기반을 마련하였습니다. 전기와 자기와의 관계는 방대한 양의 응용 가능성을 내포하고 있는 발견이었습니다. 공간 중에 자계가 일정한 방향으로 설정되어있는 경우(영구자석 또는 전자석을 사용합니다) 그 공간에서 도체를 움직이면 전류가 발생한다는 사실을 발견합니다. 이것이 발전기의 원리가 되며 플레밍의 오른손 법칙으로 발생 전류의 방향을 결정할 수 있습니다. 이 법칙으로 자계내의 도체의 운동 방향이 정해지면 전류의 방향을 결정할 수 있습니다.
이번에는 역시 공간상에 자계가 설정되어 있는 경우 이 자계 내에 존재하는 도체에 이번에는 전류를 흘리게 되면 도체가 움직이는 현상을 발견하게 됩니다. 이것이 플레밍의 왼손 법칙으로 자계와 도체에 흐르는 전류의 방향이 정해지면 힘이 발생하는 방향을 결정할 수 있습니다. 이렇게 발생한 기계적인 힘을 이용하여 개발한 것이 전동기입니다.
왼손법칙의 경우는 중지를 전류의 방향, 검지를 자기의 방향으로 하면 엄지의 방향으로 힘이 발생한다는 것을 오른손 법칙의 경우는 검지의 방향으로 자기의 방향이 설정된 상태에서 엄지방향으로 움직이는 도체에는 중지 방향의 전류가 발생한다는 것입니다. 물론 전류가 발생한다는 말은 회로가 구성되어 있는 경우이고 그렇지 않다면 기전력이 유기 됩니다. 무엇이 조건이고 무엇이 결과인지에 주의해야합니다. 그림 1.2 는 왼손법칙과 오른손 법칙 그리고 전기회로에서의 자계의 발생 방향을 설명한 것입니다.
아래의 실험 1.1은 전동기의 원리가 되는 왼손의 법칙을 설명하는 프로그램입니다. 화면에 들어가는 방향으로 자계가 설정되어 있고, 철로 같이 평행한 도체가 나란히 있고 이 위에 분리된 직선 도체가 놓여 있습니다. 오른편에 건전지를 연결하면 폐회로에 전류가 흐르고 전류와 자계의 방향에 의하여 도체가 움직이게 됩니다. 그때 움직임의 방향은 왼손 법칙에 의해서 결정이 됩니다. 실험 1.2는 발전기의 원리가 되는 오른손 법칙을 설명하는 프로그램입니다. 실험 1.1의 조건과 같은 상황에서 이번에는 직류 전원의 자리에 전압계를 놓습니다. 그리고 평행 도체 위의 도체를 마우스로 선택하여 드래그하면 이에 따라서 전압계 전압이 유기 되는 것을 확인할 수 있습니다. 전압의 극성은 오른손 법칙에 의해서 결정이 됩니다.
- 실험 1.1 왼손 법칙의 원리를 설명하는 프로그램
- "Flux change" 버튼 옆의 다이얼을 돌려서 자속의 세기와 방향을 바꾸도록 합니다.
- 직류 전원의 다이얼을 마우스로 돌려서 전류의 크기를 조절합니다.
- 전류의 세기를 척도(Scale)를 변경할 경우에는 전원 옆의 버튼을 눌러서 조절하도록 합니다.
실험 1.1은 폐회로에 전원을 인가하여 도선에 전류가 흐르면, 이 전류는 자계와 반응하여 힘을 발생시키게 됩니다. 이 힘은 전류와 자계의 방향과 세기에 의해서 그 크기와 방향이 결정됩니다.
- 실험 1.2 오른손 법칙의 원리를 설명하는 프로그램
- 마우스로 레일 위의 도체를 선택한 후에 좌우로 움직이며 전류계에 나타나는 전류의 극성을 주의깊게 살펴봅니다.
- 전류계의 눈금이 너무 예민하거나 둔감하면 전류계의 감도 버튼을 조절하도록 합니다.
- "Flux change" 버튼을 눌러서 임의로 자속의 세기와 방향을 바꾸도록 한 후 동일한 실험을 합니다.
실험 1.2는 자계 내에 있는 도체에 힘이 작용하면(또는 도체가 운동하여 자속을 끊으면) 도체에 유기기전력과 전류가 발생하며, 이때 발생한 전류는 자계의 방향과 세기에 의해 크기와 방향이 결정됩니다.
다음의 실험 1.3은 오른나사 법칙을 설명하는 애니메이션입니다. 도선 내에 전류가 흐르게 되면 도선의 주변으로 원형의 자기장이 생기는데, 자기장의 방향은 오른손을 기준으로하여 엄지가 전류의 방향이라고 할 때 나머지 네 손가락의 방향이 됩니다. 또한 이 도선을 감아 코일로 만들었을 경우에는 코일에 흐르는 전류의 방향을 따라 네 손가락으로 감아주었을 때 엄지손가락의 방향이 자계의 방향이 됩니다.
- 실험 1.3 오른나사 법칙의 원리를 설명하는 프로그램
- "멈추기"와 "계속하기" 버튼을 누르며 자계와 전류의 관계를 살펴본다.
이상의 관계에서 전류와 자기의 관계를 확인할 수 있습니다. 그러면 자계는 어떻게 만들 수 있을까요? 방법은 두 가지가 있습니다. 하나는 영구자석을 사용하는 방법이고 다른 하나는 코일을 감아 전류를 흘림으로써 자속을 발생시키는 방법입니다. 발생한 자속으로 어떻게 균일한 자장을 형성하는지 알아보겠습니다.
