자기장에서 비스듬한 도선에 적용하는 자기력의 크기

 

04. 자기장에서 전류가 받는 힘

 

자기장에서 전류가 받는 힘에 관해 알아보자. 자기장이 흐르는 공간내에서 전류가 흐르면 그 전류가 어떠한 힘을 받게 된다.. 이 자기장 속에서 전류가 흐르는 도선이 받는 힘을 우리는 자기력이라고 부른다.

 

  이때에 자기력의 원인은 아래 그림과 같다.

 

 

  위의 그림에서 보이듯이 자석에 의한 자기장과 전류에 의한 자기장이 중첩되어 도선은 자속밀도가 큰쪽에서 작은쪽으로 힘을 받게 되는데, 이 힘이 자기력이라는 것을 알 수다. 이해하기에 쉽게 말하자면, 자속 밀도가 높은 쪽이 도선을 밀어 낸다는 것.

 

  그런데 이때에 자석이 아닌 다른 도선과도 전류가 흐르는 도선은 힘을 받게 된다. 그림으로 설명하면 아래와 같다.

 

 

 

  먼저 위의 경우는 나란한 두 직선도선이 모두 전류의 방향이 서로 같을 때의 그림이다. 위의 경우에서, 서로의 자기력선이 중앙에서 상쇄되고, 그로인해 바깥쪽의 자속밀도가 비교적 더 커져서 서로가 안쪽으로 밀려나게 된다. 즉 두 도선은 서로 가까워 지려 하게 된다는 것이고, 이 말은 곧, 두 도선사이에 인력이 작용한다는 것.

 

 

  다음으로 위의 경우는 나란한 두 직선도선이 전류의 방향이 서로 반대일 때의 그림이다, 위의 경우에서, 서로의 자기력선의 방향이 같게되고, 그로 인해 서로가 서로를 밀어내게 된다는 것이다. 다시 말해서, 두 도선사이에 척력이 작용한다는 것이다.

 

  이러한 자기력의 방향은 자기장의 방향과 전류의 방향에 의해 결정이 된다, 그림을 먼저 살펴보자.

 

 

  위의 그림과 같이 자기장의 방향과 전류의 방향에 모두 수직이 되는 방향으로 자기력이 작용한다, 이는 오른손을 이용해 쉽게 알수 있다. 아래 사진 참조.

 

 

  위처럼 자기장의 방향에 오른손의 네손가락의 방향을 맞추고, 전류의 방향에 오른손 엄지 손가락의 방향을 맞추면 오른쪽 손바닥의 방향이 자기력의 방향이 된다.

 

  이때 이러한 자기력의 방향에는 두가지 특징이 있다. 먼저, 자기력의 방향은 전류의 방향과 자기장의 방향에 항상 수직이다. 또 다음으로 전류의 방향이나 자기력의 방향이 바뀌면, 자기력의 방향도 바뀌게 된다.사실 위의 것들은 조금만 생각을 바꾸어도 쉽게 이해할수 있기 때문에 딱히 부연 설명은 하지 않도록 하겠다.

 

  다음으로 자기력의 세기를 재는 법을 알아보도록 하겠다. 우선 자기력의 세기는 자기장의 세기(B)와 전류의 세기(I), 자기장에 수직으로 놓인 도선의 길이(lsinθ)에 비례한다. 이에 대한 식을 써보자면 아래와 같다.

 

 

 

  그런데 이렇게 식으로만 써놓으면 잘 이해가 안될수 있으니까, 도선과 자기장의 방향

이 수직일 때와 비스듬할 때와 평행할 때의 3가지로 나누어 설명드리겠습니다.

 

  먼저 위의 그림은 전류와 자기장의 방향이 수직인 경우 즉, θ=90일 때입니다.

위의 경우에서 자기력의 세기는 아래의 식과 같습니다.

 

 

* sin90도? 참고.

 

  이때에 l은 자기장에 노출된 도선의 길이를 뜻 한다는 점 잘 알아두시길 바랍니다.

 

 

  다음으로 위의 그림은 전류와 자기장의 방향이 비스듬한 경우입니다. 위의 경우에서 자기력의 세기는 아래의 식과 같습니다.

 

   이때에 만약 Θ가 90이상이 된다면 그때에는 180-Θ를 Θ대신으로 사용 하면 된다는 점 참고적으로 알아 두시길 바랍니다.

 

 

  먼저 위의 그림은 전류와 자기장의 방향이 평행한 경우 즉, θ=0일 때입니다.

위의 경우에서 자기력의 세기는 아래의 식과 같습니다.

 

 

 

  즉 다른 말로 하자면, 자기장과 전류가 서로 평행하게 흐르면, 자기력은 발생하지 않는다는 말입니다.

 

  이제 마지막으로 자기력이 이용되는 것들에 대해 알아보도록 하겠습니다.

우선 자기력은 전동기, 스피커, 전류계, 전압계, 검류계 등에 쓰입니다.

 

  먼저 전동기의 경우는 자석사이에 들어있는 코일이 자기력에 의해 회전함으로써 전기 에너지를 역학적 에너지로 바꿔주는 장치입니다.

이러한 전동기의 회전원리가 꽤나 중요한데요, 이 전동기의 회전원리는 아래 사진으로 보도록 하겠습니다.

 

 

  이때에 변A부분은 위쪽으로 힘을 받고, B부분은 아래쪽으로 힘을 받게 됩니다.

하지만 이상태로 한바퀴를 회전하게 되면, 회전 방향이 바뀌게 되는 데요, 그걸 막기 위한 것이 바로 정류자 입니다.

이때에 정류자는 코일이 반 바퀴 회전 할때마다 전류의 방향을 계속 바꿔 줘서 계속 같은 방향으로 회전하게 해주는 것입니다. 이 정류자에 대해 알아두는것이 전동기의 원리를 이해하는 가장 중요한 부분이 되니까요, 이점 명심해 두세요.

 

  오늘은 여기에서 끝입니다. 다음 강좌에서는 전자기 유도라는 새로운 단원을 배우게 되니까요, 오늘과 같이 열심히 강좌에 임해주셨으면 합니다.

그럼 여러분, 다음 강까지 안녕히 계세요!