10 자기장과 전자석

자석은 언제 끌어당기고 언제 밀어내나요?

자석에서 자기력이 가장 센 양 끝부분을 극이라 하고 N극과 S극이 있습니다. 마주 보는 극이 다르면 서로 끌어당기는 인력이, 같으면 서로 밀어내는 척력이 작용합니다. 자석과 자석 사이, 또는 자석과 쇠붙이 사이에 작용하는 이런 힘을 자기력이라고 합니다.

나침반은 무엇을 알려 주나요?

자기장은 자기력이 작용하는 공간이고, 나침반 바늘이 멈췄을 때 N극이 가리키는 방향을 그 지점의 자기장 방향으로 정합니다. S극은 그 반대 방향을 가리킵니다. 지구 주위에도 자기장이 있어 나침반 N극은 대체로 북쪽을 가리키지만, 자석 가까이에서는 그 자석의 영향으로 다른 방향을 가리킵니다.

쇠클립이 붙는 쪽은 N극인가요?

그렇게 판단할 수 없습니다. 쇠클립에 자석을 가까이하면 쇠클립도 잠시 자석의 성질을 띠고, 자석과 가까운 쪽이 자석과 다른 극이 되어 N극과 S극 모두에 끌려옵니다. 극을 구별하려면 극을 아는 자석이나 나침반을 이용합니다. 철로 된 물체는 자석에 붙지만 구리·알루미늄 같은 금속은 붙지 않습니다.

자기력선은 무엇이고 어떤 성질이 있나요?

눈에 보이지 않는 자기장의 모양을 선으로 나타낸 것이 자기력선이며, 실제로 공간에 떠 있는 실이나 끈은 아닙니다. 자석 바깥에서는 N극에서 나와 S극으로 들어가고, 도중에 끊어지거나 서로 교차하지 않으며, 촘촘한 곳일수록 자기장이 셉니다. 자석의 양 극 부근에서 가장 촘촘하고, 자석 내부에서는 S극에서 N극으로 이어져 바깥의 자기력선과 고리를 이룹니다.

코일에는 자석이 없는데 왜 나침반이 움직이나요?

코일에 전류가 흐르면 주위에 자기장이 생기기 때문입니다. 도선을 여러 번 감아 만든 코일에 전류가 흐르면 양 끝이 N극과 S극처럼 작용하고, 주위 자기장의 모양은 막대자석 주위와 비슷합니다. 철심이 없는 코일에도 전류가 흐르면 자기장이 생깁니다.

오른손으로 코일의 N극을 어떻게 찾나요?

먼저 전지의 (+)극에서 도선을 따라가 코일 앞쪽 도선의 전류가 위로 가는지 아래로 가는지 확인합니다. 오른손 네 손가락을 그 전류 방향으로 감아쥐면 편 엄지손가락 쪽이 코일의 N극이고, 엄지손가락은 코일 내부의 자기장 방향도 가리킵니다.

네 손가락은 전자가 움직이는 방향이 아니라 전류 방향에 맞춥니다. 학습지의 코일 옆모습에서는 앞쪽 도선의 전류가 아래로 흐르면 오른쪽 끝이 N극, 위로 흐르면 왼쪽 끝이 N극입니다.

코일 내부와 바깥의 자기장 방향은 어떻게 다른가요?

코일 내부의 자기장은 S극 쪽에서 N극 쪽으로 향하고, 바깥에서는 N극 쪽에서 나와 S극 쪽으로 들어갑니다. 그래서 코일 내부와 코일 위쪽 바깥의 자기장 방향은 서로 반대입니다. 나침반이 코일 내부에 있는지 바깥에 있는지 먼저 확인한 뒤 그 지점의 자기장 방향에 N극을 맞춥니다.

코일 끝을 정면에서 보았을 때 시계 방향이면 무슨 극인가요?

한쪽 끝을 정면에서 볼 때 전류가 시계 반대 방향이면 그 면이 N극, 시계 방향이면 S극입니다. 시계 방향이라는 말에는 언제나 보는 쪽이 필요해서, 관찰자만 반대쪽 끝으로 옮겨 가면 보이는 회전 방향이 반대로 바뀝니다. 이때 전류나 코일의 극이 바뀐 것은 아닙니다.

전자석은 영구 자석과 무엇이 다르고, 어떻게 세게 만드나요?

코일 속에 철심을 넣어 만든 자석이 전자석이며, 전류가 흐를 때만 자석의 성질을 띱니다. 영구 자석은 세기와 극이 정해져 있지만, 전자석은 전류의 세기와 코일의 감은 수로 세기를 조절하고 전류 방향을 바꾸면 극이 바뀝니다. 전류의 세기를 세게 하거나 코일의 감은 수를 늘리면(같은 길이에 더 촘촘하게 감으면) 세지고, 같은 코일에 같은 전류가 흐를 때 철심을 넣어도 자기장이 세집니다.

전자석 실험에서 왜 조건을 하나씩 바꾸어야 하나요?

조건을 하나씩 바꾸어야 어떤 조건 때문에 결과가 달라졌는지 알 수 있기 때문입니다. 알아보려는 조건은 조작 변인, 같게 둘 조건은 통제 변인, 측정하는 결과(붙은 쇠클립 수)는 종속 변인입니다. 전류와 감은 수를 함께 바꾸면 전류만의 효과를 가려낼 수 없습니다.

전지가 같으면 감은 수가 다른 코일에도 같은 전류가 흐르나요?

항상 같지는 않습니다. 같은 재질·굵기의 도선을 더 길게 감으면 저항이 커지고, 같은 전압이어도 저항이 다르면 전류의 세기가 달라집니다. 그래서 감은 수의 영향만 알아보려면 전류계로 전류의 세기를 측정하여 같게 맞추어야 합니다.

전자석은 어디에 이용하나요? 극을 바꾸면 쇠붙이를 밀어내나요?

전자석 기중기는 전류를 흘려 쇠붙이를 들어 올리고 전류를 끊어 내려놓으며, 자기 부상 열차는 전자석의 힘으로 차체를 선로 위에 띄우고, 스피커는 코일에 흐르는 전류로 자석과의 힘을 바꾸어 진동판을 움직입니다. 전류 방향을 반대로 해 극을 바꾸어도 자석이 아닌 쇠붙이는 N극과 S극 모두에 끌리므로 계속 끌어당깁니다. 쇠붙이를 내려놓으려면 전류를 끊어야 합니다.

직선 도선 주위의 자기장 방향은 어떻게 찾나요?

직선 도선 주위의 자기력선은 도선을 중심으로 한 동심원 모양입니다. 오른손 엄지손가락을 전류 방향으로 펴고 네 손가락으로 도선을 감아쥐면, 손가락이 감기는 쪽이 자기장 방향입니다. 코일과 달리 직선 도선에서는 엄지손가락이 전류, 네 손가락이 자기장이며, 종이 밖으로 나오는 전류의 자기장은 시계 반대 방향, 종이 안으로 들어가는 전류의 자기장은 시계 방향입니다.

직선 도선 주위의 자기장은 어디에서 더 센가요?

같은 전류에서는 도선에 가까울수록 자기장이 세고, 같은 지점에서는 전류의 세기가 셀수록 자기장이 셉니다. 전류의 세기는 같게 두고 방향만 반대로 하면 자기장 방향이 반대로 바뀝니다. 도선 오른쪽의 자기장은 도선에서 멀어지는 쪽이 아니라 도선을 둘러싼 원을 따라 도는 방향입니다.