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1. 개요
| 자기장의 모습 |
磁氣場 / magnetic field
자장(磁場) 또는 자계(磁界)라고도 한다.
자기장은 공간상에 자기력의 크기와 방향을 나타낸 벡터장이다. 자기장을 특수 상대성 이론에 따라서 관측자의 관성계를 변화시키면 전기장과 같아진다.
위 그림과 같이 자기장은 N극에서 나와서 S극으로 들어가게 형성되는 특징을 보인다.
자기장을 확실하게 확인할 수 있는 방법이 바로 나침반을 이용하는 것이다.
태양에서 날려온 대전 입자가 지구의 자기장 때문에 지구 자기장의 극 부분인 남극과 북극으로 이끌려와 지구의 대기와 부딪히면서 일어나는 빛이 바로 오로라다. 이 자기장이 없으면 지구권의 생명체는 태양풍에 의해 그야말로 멸망. 2012년 지구 멸망설이 돌 때도 이 자기장에 관련된 떡밥이 가장 컸다. 화성의 경우 이 자기장이 없어져 생명체가 살 수 없는 환경이 되었다는 이야기가 있다.[1]
자기장을 [math({\bf B})]와 [math({\bf H})]로 표기하는 관습은 제임스 맥스웰이 1873년에 쓴 책 "A Treatise on Electricity and Magnetism"(직역:전기와 자기에 관한 논문)의 표기에서 유래하였다.[2]
2. 자기장을 나타내는 기호와 단위
같은 자기장을 나타내는 기호이지만, 구체적인 의미가 다르다. 이것은 전기장에서의 [math({\bf E})](전기장)와 [math({\bf D})](전기 변위장)의 관계와도 유사하다.[math({\bf H})]는 매질과 무관하기 때문에 실험적으로 조절하는 것이 간단하다. [math({\bf B})]는 전자기유도를 일으키는 역할을 한다. 따라서 맥스웰은 [math({\bf H})]를 자기장, [math({\bf B})]를 magnetic induction이라 불렀지만 현대에 들어선 [math({\bf B})]를 자기장, 자속밀도로, [math({\bf H})]를 자기장 세기(magnetic field strength, magnetizing field)등으로 부르는 것이 일반적이다.[3] 간혹 [math({\bf H})]를 전기 변위장과 상대하여 자기 변위장(magnetic displacement field)로 언급된다.
전기장과 달리 자기장에서는 실험적 편의 때문인지 [math({\bf D})]와는 비교도 할 수 없을만큼 [math({\bf H})]가 자주 언급되게 된다. 관계식으로 나타내면 다음과 같다.
[math({\bf B}=\mu_{0}({\bf H}+\mathbf{M})])
여기서 [math(\mathbf{M})]는 자화밀도이다.
자기장의 크기는 보통 자기 선속[4]의 밀도로 표기한다. 자기 선속은 말 그대로 한 단면을 지나가는 자기력선의 개수라고 생각하면 된다. 이는 어떤 단면에 작용하는 총 자기장을 의미하며, 자기선속의 단위는 [math(mathrm{Wb})]이고, 기호는 그리스 대문자 [math( {\Phi} )]를 사용한다.
자기력선의 성질 중 자기력선의 밀도가 클 수록 자기장의 세기가 세다는 성질이 있고, 이를 그대로 반영하여 자속을 면적으로 나눈 것을 자기장의 크기라 정의한다. 이 자속밀도의 단위는 [math(\mathrm{T})]로 표기하며,
[math(1\, \mathrm{Wb/m^2}=1\, \mathrm{N/(A\cdot m)})]
이다.(단위 면적 당 지나가는 자기선속 수) 하지만, 저 단위가 워낙 큰 단위인지라, 실생활에서는 보통 [math(mathrm G)](가우스)를 사용한다. 이때, [math(1\, \mathrm{T}=10,000\, \mathrm{G})]이다.
CGS 단위계에선 [math({\bf H})]를 나타내기 위한 단위 에르스텟(oersted, 줄여서 [math(\mathrm{Oe})])이 존재한다. [math(1\,\mathrm{Oe})]은 단위 자기극에 [math(1,mathrm{dyne})](다인)의 힘이 작용할 때의 세기로 정의된다. [math({\bf B})]를 가우스로 표현했을 때 다음의 관계가 성립한다.
[math({\bf B}\,\text{(G)}=\mu_r {\bf H}\,\text{(Oe)})]
여기서 [math(\mu_{r} \equiv \mu/\mu_{0})]이다.
3. 철가루 실험
자석에 붙은 철가루는 일일이 떼어내기가 곤란하니 미리 자석을 얇은 천이나 비닐로 감싼 후 실험하는 것이 편하다. 실수로 자석에 철가루가 덕지덕지 붙었어도 절망할 필요 없다. 철가루가 붙은 자석보다 더 강한 자석을 준비하여 비닐에 넣고, 더 강한 자력으로 철가루를 떼어내면 완벽하지는 않아도 쉽게 철가루를 뗄 수 있다.
자성유체(액체자석)를 가지고도 구경해볼 수 있다.
4. 전기와의 통합
본래 옛 사람들의 경우 자기는 전기와 다른 현상이라 생각했다. 하지만 그것을 뒤집은 것이 덴마크의 물리학자 외르스테드(Hans Christian Ørsted;1777~1851)라는 사람으로, 1820년 그는 전류가 흐르는 철사 가까이에 있던 나침반이 돌아가는 것을 발견하여 이를 세상에 보고함으로써 전기와 자기가 관련이 있는 현상임이 밝혀졌다.이후 비오-사바르, 렌츠, 앙페르, 패러데이 등 여러 물리학자가 이 전기와 자기에 관해 연구하였고, 끝내 맥스웰은 맥스웰 방정식을 통해 전기와 자기를 통합시키는 것에 이르게 된다.
현대 무선통신이나 광학기술이 이 전자기 이론에서 출발했다는 것을 생각해보면, 외르스테드는 혁명적인 발견을 했음을 알 수 있다.
5. 상세
5.1. 로런츠 힘
5.2. 비오-사바르 법칙
5.3. 앙페르 법칙
5.4. 자기 퍼텐셜
5.5. 자기 쌍극자 모멘트
5.6. 렌츠의 법칙 · 패러데이 법칙
렌츠의 법칙은 코일에서 발생하는 유도기전력은 코일을 통과하는 자속의 변화를 방해하는 방향으로 나타난다는 법칙이다. 첫 번째 그림에서 자기선이 나가는 방향인 N극이 다가오므로 코일 내부의 자속은 지속적으로 늘어난다. 이때 유도기전력은 자속의 변화를 방해하는 방향, 즉 분홍색 화살표 방향으로 자기장이 생성될 때의 방향으로 앙페르의 오른나사 법칙에 의해 전류가 흐른다.
패러데이의 전자기 유도 법칙은 자기 선속
[math( \displaystyle \Phi _{B}= \iint {\bf B}\boldsymbol{\cdot} d \mathbf{a})]
의 변화가 전기를 유도한다는 법칙으로 이때 발생하는 유도기전력의 크기는 자속의 변화율과 같다는 법칙으로 맥스웰 방정식의 제3 방정식으로 표현된다. 식은
[math( \displaystyle \oint_{\partial\Sigma}{\bf E}\cdot d\mathbf{l}=-\frac{d}{dt}\iint_{\Sigma}{\bf B}\cdot d\mathbf{a} = -\frac{d}{dt} \Phi_B)]
로 나타낸다. 간단한 경우에서는 기전력 [math(\displaystyle \mathcal{E} = -d\Phi_B /dt)]이 되어 기전력이 플럭스의 시간에 대한 변화량에 비례한다는 것을 알 수있다. 이는 태양광 발전을 제외한 모든 발전기[5]에서 전기를 만들어 내는 원리이다.
6. 활용
우리 생활에 없어서는 안 될 원리다. 전자기 유도 법칙에 의해 자기장 속의 도선이 움직이면 전류가 발생한다는 걸 발견하였고, 이를 통해 전지를 만들어서 전기를 사용하다 동력을 이용해 직접 전기를 만들 수 있게 된 것이다. 여기다가 증기기관의 발명은 전기의 시대를 만들었다. 현재 인류가 사용하고 있는 전기 중에서 태양광 발전을 제외한 모든 발전소는 터빈을 돌려 이로 인해 생긴 플럭스 변화를 이용해 전기를 생산한다. 발전기 문서를 참고.이외에도 교통카드 또한 전자기 유도 법칙을 사용한다. 단말기(카드를 찍는 곳)는 강한 자기장을 흘려주고, 여기에 카드를 가져다 대면 카드 안에 감싸진 코일(도선)이 전력을 생산하고, 연결된 칩이 작동하여 정보를 쏘는 것. 그리고 고압선에 흐르는 자기장을 이용해 발전하는 연구도 진행 중에 있다. RFID 문서와 NFC 문서를 참고하면 좋다.
컴퓨터의 저장장치인 하드디스크는 자기장을 이용하여 데이터를 읽고 쓴다.
지구의 생물들이 우주 방사선에게 노출되지 않는것도 지구의 자기장 덕분이다. 그리고 태양의 강력한 자기장의 편린인 태양풍을 막아낸다.
의학용으로도 쓰이는데 물리치료나 각종 검사[6], 정신과 치료에도 많이 사용된다.
7. 여담
스타크래프트 유즈맵 미사일피하기의 방어 기술 이름이기도 하다. 해당 기술을 사용할 시 적팀 미사일들의 경로를 한 곳으로 모이게 하여 회피하기 쉬워진다. 다만 팀원이 피하고 있을 때 쓰면 높은 확률로 팀킬을 하게 된다."인체 자기장"을 구글에 검색해보면 음이온, 물답알, 단월드 급의 유사과학들이 무더기로 쏟아져나온다. 다만 모두 유사과학은 아니고, MRI는 실제로 인체를 자석으로 만들어서(자화시켜서) 검사하는 기계이다. 여기에 쓰이는 자석은 수 T 정도.
PLAYERUNKNOWN'S BATTLEGROUNDS에서 등장한다. 게임 설정상 구 소련군이 주민들의 시위진압을 위해 사용했다고 하며, 푸른색 빛의 돔 형태라서 쉽게 알아볼수 있다. 오래 노출되면 사망하니 유의.
왼손 법칙(for 전동기) 및 오른손 법칙(for 발전기)은 드릴 파지법과 꽤 닮았다. 가운뎃손가락이 전류의 방향을 가리키는데, 드릴의 방아쇠를 누르는 손가락이기도 하다.
7.1. 서브컬처에서 해당 속성을 가진 캐릭터
8. 관련 문서
- 레일건 - SF 등에서 자기장을 이용하는 대표적 사례. 그리고 현실화되었다.
- 코일건 - 위와 비슷.
- 나침반
- 마이클 패러데이
- 맥스웰 방정식
- 양자역학
- 자석
- 전기장
- 전자기장
- 전자기파
- 전자기학
- 전자석
- MRI
- 지구자기장
- 테슬라 코일
[1] 지구는 액체 상태의 철로 구성된 외핵이 대류를 통해 움직이면서 자기장을 발생시키지만 화성은 질량이 작아 과거에 이미 외핵이 냉각되어 굳어져버려 자기장이 사라졌는데, 어차피 태양과의 거리가 멀다 보니 도달하는 태양풍이나 자외선이 적어 생명체의 생존과 크게 상관 없다는 설도 있다.[2] An elementary treatise on electricity by James Clerk Maxwell 2ND EDITION 1888https://www.gutenberg.org/files/69914/69914.pdf[3] 특별하게 자기장을 [math({\bf H})]로 표현하는 교과서로는 Landau&Lifshitz 와 Jackson이 있다.[4] 줄여서 '자속'이라고도 한다.[5] 태양광 발전기는 광전효과를 사용한다.[6] 자기공명영상 등.