둘이서 함께, 전기장과 자기장

 쿨롱의 법칙

 전하에는 양전하(+Q)와 음전하(-Q)의 두 가지 종류가 있습니다. +Q와 -Q는 서로 결합하여서 전기적으로 중성인 상태가 되려는 성질이 있습니다. 서로 다른 전하 사이에서는 흡인력이 작용하고, 같은 종류의 전하 사이에서는 서로 반발하는 척력이 작용하게 됩니다. 이 현상을 쿨롱의 법칙이라고 합니다.

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 점 전하 Q1, Q2가 r만큼 떨어져 있을 때, 두 전하 사이의 전기력은 F = (k x Q1 x Q2)/(R^2) [N]이 됩니다. k는 쿨롱 상수로 약 9 x 10^9 정도의 값입니다. 

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 전하의 전기력이 작용하게 되는 공간을 전기장이라고 하고 이는 공간적으로 펼쳐지게 됩니다. 따라서 에너지의 세기는 중심 전하에서 멀어질수록 급격히 감소합니다. 하지만 두 개의 전하가 있다면 전하의 크기에는 곱에 비례하지만, 전하 사이의 거리에는 제곱에 반비례합니다. 두 전하 사이에 존재하는 공간의 에너지 전달률을 유전율(ε)이라고 합니다. 전하는 공간 안에서 무한한 원을 그리며 퍼져나갑니다. 전기장은 구 모양으로 퍼지고, 성게와 같이 중심에서 선들이 쭉 뻗어가는 것처럼 전하가 만들어 나가는 선을 전기력선이라고 합니다. 

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도체

 도체는 자유전자가 풍부한 물질입니다. 모든 금속이 도체가 되며, 전기저항이 작은 물질입니다. 전기저항이 아주 작은 물질인 도체는 금, 은, 구리 등이 있으며 열전도율이 높습니다. 일반적으로 전선은 구리 선을 이용하며, 구리 선 주위에 절연 물질을 입혀서 사용합니다. 부도체는 도체와 반대로 자유전자가 많이 없어 전기저항이 높아 전기전도율이 낮은 물질입니다. 부도체는 유전체나 절연체로 불리기도 합니다. 무조건 전기가 안 통하지는 않습니다. 이론상으로는 부도체 역시 원자로 이루어져 있고 전자가 있기 때문에 충분히 고전압을 가하면 큰 전류가 흐릅니다. 전기적으로 특정 조건이 만족하면 전기가 흐르는 반도체도 있습니다. 이는 컴퓨터와 전자기기 등에 많이 사용됩니다.

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 하나의 회로를 구성해봅시다. 도체 사이에 부도체를 넣고 전원과 도체들을 연결합니다. 그러면 전기장이 발생하여 부도체(유전체)의 원자들이 (+), (-)으로 분극 하는 분극 작용이 발생하여 두 도체에 (+), (-)의 전기가 생깁니다. 분극 작용은 부도체에서 일어나며 자유전자가 이동하지 않습니다. 원자의 전자가 한쪽으로 치우쳐져서 극이 생기는 것입니다. 이 원리를 이용하여 전기를 축적하는 콘덴서를 만듭니다.

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자석의 성질 

 자석이라 하면 철이나 니켈 등의 금속들을 끌어당기는 자성을 가지는 물질입니다. 자석은 항상 2종류의 극성, N극과 S극이 있고, 같은 극성은 반발력이, 다른 극성은 인력이 작용합니다. 자석을 아무리 잘게 쪼개어도 자성을 가지면 항상 2극이 존재합니다. 자석의 힘은 자기력이라고 하며 자기력은 각 극의 끝부분에서 가장 셉니다. 자기력의 크기는 두 자극의 세기의 곱에 비례하고 자극 간의 거리의 제곱에 반비례합니다. 이는 쿨롱의 법칙과 같습니다. 자기력도 자기력이 펼쳐지는 자기장이라는 공간이 존재하며 여기서도 자기력선이 이를 표시합니다. 자기력선과 전기력선은 우리가 자기장과 전기장을 이해하기 위한 가상의 선으로 서로 교차하지 않으며 각각 N극에서 S극으로, +극에서 -극으로 향합니다.

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전선에서의 자기장

 일직선으로 구성된 전선이 있고, 이 전선은 책상에 꽂혀 있습니다. 여기에 밑에서 위로 전류가 흐른다고 가정해봅시다. 직선인 도선에서는 전류 I를 흘리게 되면 도선의 둘레에는 동심원 모양의 원형 자 계 H가 생깁니다. 책상에서 도선의 둘레에 나침반을 놓게 되면 나침반의 방향은 반시계 방향으로 회전하게 됩니다. 오른손의 엄지가 전류의 흐르는 방향이면, 나머지 네 손가락이 자기장의 방향이 됩니다. 전선의 둘레의 아무 점에서의 자기장의 세기는 전류의 세기와 비례하고, 전선의 중심으로부터 점까지의 거리에 반비례합니다. 전류가 흐르면 반드시 자기장이 생기고, 반대로 자기장이 있으면 전류가 생깁니다. 

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전자기유도

 그냥 자기장만 있으면 전류는 흐르지 않습니다. 자기장이 변화해야지 그에 따라서 전류가 생성될 수 있습니다. 폐회로에서 자기장에 변화에 따라 전류가 생성됩니다. 먼저 전선을 휴지심과 같이 원통형에 감습니다. 원통 사이로 자석을 밀어 넣거나 빼냅니다. 그러면 전류가 흐르게 됩니다. 전선에 전구를 달면 전류가 흐르는지 확인할 수 있습니다. 이때 전류의 방향은 조금 복잡하게 정해집니다. 자석의 N극을 기준으로 살펴봅시다. N극에서는 자기장이 나옵니다. 자석을 안으로 넣는다고 하면 전선 입장에서는 자석이 가까워지고 자기력이 세집니다. 이를 상쇄시키기 위해서 전선은 자석의 자기장과 반대로 다른 자기장을 형성합니다. 그에 따라 전류가 흐르게 됩니다. 이때 방향을 어떻게 정하는지 알아보겠습니다.

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 왼쪽에 자석의 N극, 오른쪽에는 S극, 그 사이에는 전선을 놓고 바라볼 때 나오는 방향으로 전류를 흘립니다. 그러면 힘은 위쪽으로 작용하게 됩니다. 반대로 들어가는 방향으로 전류를 흘린다면 힘은 아래 방향으로 작용합니다. 이 힘을 전자기력이라고 합니다. 전자기력을 이용하여 모터와 같은 전동기를 구성할 수 있습니다. 전자기력의 방향을 좀 더 쉽게 파악하기 위해서 플레밍의 왼손 법칙이 있습니다. 왼손의 엄지를 위로 세우고 네 손가락과 수직이 되게 합니다. 검지는 그대로 두고 세 손가락을 접습니다. 3번째 중지는 검지와 엄지 둘과 수직이 되도록 합니다. 그러면 엄지는 전자기력, 검지는 자기력선, 중지는 전기력선의 방향이 됩니다. 이 왼손 그대로 오른손바닥에 올려보면 오른손에서도 적용될 수 있습니다. 엄지와 네 손가락을 수직으로 만들면, 엄지는 전자기력, 네 손가락은 자기력, 손바닥은 전자기력의 방향을 나타냅니다.

 

전기의 정체

 

전기의 기본, 옴의 법칙