전자석
10 cm에 200번 감은 코일에 2 A를 흘리면 안쪽 자기장이 약 5 mT, 지구 자기장의 약 100배가 됩니다.
전류는 자기장을 만듭니다
1820년 덴마크 과학자 한스 크리스티안 외르스테드는 가까이 있는 전선에 전류가 흐를 때 나침반 바늘이 움직인다는 것을 알아챘습니다. 이것은 전기와 자기가 서로 이어져 있다는 첫 번째 분명한 증거였습니다. 길고 곧은 전선 둘레의 자기장을 나침반 여러 개로 그려 보면, 자기력선은 전선을 가운데 두고 둘러싼 동그란 원이 됩니다. 이 원의 방향은 OpenStax 교재가 오른손 법칙 2라고 부르는 규칙을 따릅니다. 오른손 엄지를 전류가 흐르는 방향으로 두고 전선을 감아 쥐면, 나머지 손가락이 감기는 쪽으로 자기장이 빙 돕니다.
자기장의 세기는 전선에서 멀어질수록 줄어듭니다. 식으로 쓰면 B = μ₀ I ÷ (2π r)이고, 여기서 r은 전선에서부터 잰 거리입니다. 상수 μ₀는 진공의 투자율(permeability of free space)이라고 부릅니다. 교과서에서는 4π × 10⁻⁷ T·m/A로 쓰고, NIST의 현재 값은 1.25663706127 × 10⁻⁶ N/A²로, 둘의 차이는 10억분의 1보다 작습니다. OpenStax 교재는 전선에서 5.0 cm 떨어진 곳에 지구 자기장의 두 배인 1.0 × 10⁻⁴ T를 만들려면 전류가 얼마나 필요한지 묻습니다. 식을 전류에 대해 풀면 답은 I = 2π r B ÷ μ₀ = 25 A입니다. 측량사들은 이 효과를 잘 알고 있습니다. 머리 위를 지나는 송전선 때문에 나침반으로 읽은 값이 틀어지는 일이 생기기 때문입니다.
코일은 세고 고른 자기장을 만듭니다
전선을 둥근 고리로 구부리면, 고리의 각 부분이 만든 자기장이 고리 한가운데에서 모두 더해집니다. 고리를 여러 번 감아서 긴 코일, 다시 말해 솔레노이드(solenoid)를 만들면 안쪽의 자기장은 세고 거의 고르게 되고, 감긴 선 바로 바깥의 자기장은 0에 가까워집니다. 긴 솔레노이드 안에서 자기장은 B = μ₀ n I이고, 여기서 n은 1 m당 감은 수인 N ÷ L입니다. 같은 길이에 더 촘촘하게 많이 감거나 전류를 늘리면 자기장이 더 세집니다. 바깥에서 보면 솔레노이드의 자기장은 막대자석의 자기장과 모양이 같고, N극 끝과 S극 끝이 따로 있습니다.
그렇다면 코일의 어느 끝이 N극일까요? 오른손 네 손가락을 코일에서 전류가 도는 방향으로 감아 쥐면, 그때 엄지가 가리키는 쪽이 N극 끝입니다. 전류 방향을 반대로 바꾸면 두 극도 서로 바뀝니다. 실험실 코일의 길이는 10 cm입니다. 200번 감고 2 A를 흘리면 n = 1 m당 2,000이고 B = 1.2566 × 10⁻⁶ × 2,000 × 2 = 5.03 × 10⁻³ T, 약 5 mT입니다. 지구 자기장 어림값 50 μT의 약 100배입니다. OpenStax의 큰 예제는 길이 2.00 m에 2,000번 감고 1,600 A를 흘리는 솔레노이드입니다. n = 1 m당 1,000이고 B = 2.01 T로 MRI 자석의 세기입니다. 이런 전류는 보통 구리선을 과열시키기 때문에 MRI 장치는 초전도 코일을 씁니다.
끌어서 돌리고, 휠이나 두 손가락으로 확대하세요.
철심과 전자석의 쓰임
코일 안에 철심을 넣으면 전류가 만든 자기장이 철 속의 자기 구역들을 한 방향으로 정렬시킵니다. 그러면 철도 자석이 되고, 철이 만든 자기장이 코일의 자기장에 더해집니다. 그래서 센 자기 효과가 필요한 곳에서는 전자석에 언제나 강자성체로 된 심을 넣습니다. 영구 자석과 달리 전자석은 필요할 때 끌 수도 있고, 세기를 높일 수도 있고, 극을 뒤집을 수도 있습니다. 고철장의 크레인은 전자석으로 자동차를 통째로 들어 올렸다가, 전류를 끊어서 원하는 자리에 내려놓습니다. 입자 가속기는 전자석으로 빔의 방향을 바꾸고, MRI 장치는 큰 초전도 코일 안에 환자를 눕힙니다. 다만 코일 전선의 저항이 전자석의 한계를 정합니다. 전류를 너무 크게 흘리면 전선이 지나치게 뜨거워집니다.
| 외르스테드, 1820년 | 전류가 나침반 바늘을 움직입니다 |
| 긴 곧은 전선의 자기장 | B = μ₀ I ÷ (2π r), 전선을 둘러싼 원 |
| 솔레노이드 안 자기장 | B = μ₀ n I, n = 1 m당 감은 수 |
| μ₀ | 4π × 10⁻⁷ T·m/A ≈ 1.2566 × 10⁻⁶ |
| 코일의 어느 끝이 N극일까 | 오른손 네 손가락을 전류 방향으로, 엄지가 N극 |
- 전류는 자기장을 만듭니다(외르스테드, 1820년).
- 긴 곧은 전선 둘레의 자기력선은 원이고 B = μ₀ I ÷ (2π r)입니다.
- 솔레노이드 안에서 B = μ₀ n I. 1 m당 감은 수나 전류가 크면 자기장이 셉니다.
- 오른손 감아쥐기 규칙으로 N극 끝을 찾고, 전류를 뒤집으면 극이 바뀝니다.
- 철심을 넣으면 전자석이 훨씬 세집니다.
- 1820년 전류가 나침반 바늘을 움직이는 것을 처음 본 사람은?
- 한스 크리스티안 외르스테드
- 마이클 패러데이
- 윌리엄 길버트
- 아이작 뉴턴
- 긴 곧은 전선 둘레의 자기력선은?
- 전선을 둘러싼 원
- 전선을 따라가는 직선
- 전선에서 뻗어 나가는 직선
- 자기장이 없음
- 25 A가 흐르는 긴 전선에서 5.0 cm 떨어진 곳의 자기장은 10⁻⁴ T 단위로 얼마일까요? (μ₀ = 4π × 10⁻⁷)
- 실험실 코일: 200번, 길이 0.10 m, 2 A. 안쪽 자기장은 몇 mT일까요? (소수 둘째 자리)
- 2.00 m에 2,000번 감으면 1 m당 감은 수는?
- 그 솔레노이드에 1,600 A가 흐릅니다. 안쪽 자기장은 몇 T일까요? (소수 둘째 자리)
- 길이가 같은 솔레노이드의 감은 수와 전류를 모두 두 배로 하면 자기장은?
- 4배
- 2배
- 그대로
- 8배
- 전자석의 전류 방향을 바꾸면?
- N극과 S극이 바뀝니다
- 자석이 아니게 됩니다
- 두 배로 세집니다
- 아무것도 바뀌지 않습니다
- 고철장 크레인이 영구 자석 대신 전자석을 쓰는 이유는?
- 전류를 끊어 짐을 내려놓을 수 있어서
- 공기보다 가벼워서
- 알루미늄을 끌어당겨서
- 전기가 필요 없어서
- 코일에 철심을 넣으면?
- 자기장이 훨씬 세집니다
- 자기장이 사라집니다
- 극이 바뀝니다
- 전류가 멈춥니다
이 과정의 출처 (16)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 22.1 Magnets (all magnets have N and S poles, north-seeking and south-seeking, like poles repel and unlike attract, poles cannot be separated, the magnetic pole near the geographic North Pole is a south magnetic pole, sunspots come in N/S pairs)
- 22.2 Ferromagnets and electromagnets (iron, cobalt, nickel, gadolinium; neodymium alloys; domains grow to millimetre size; Curie temperature of iron 1043 K (770 °C); Oersted saw a compass needle deflected by a current; electromagnets in scrapyard cranes, particle accelerators and MRI; electric current is the source of all magnetism; no monopoles observed)
- 22.3 Magnetic fields and field lines (direction = where a compass north end points; four rules: tangent, density = strength, never cross, closed loops from N to S outside)
- 22.7 Magnetic force on a current-carrying conductor (F = I l B sin θ, 1 T = 1 N/(A·m), example 20.0 A, 5.00 cm, 1.50 T gives 1.50 N; motors)
- 22.9 Magnetic fields produced by currents (Oersted 1820, right hand rule 2, B = μ0 I ÷ (2π r), μ0 = 4π × 10⁻⁷ T·m/A, Earth's field about 5.0 × 10⁻⁵ T, 25 A at 5.0 cm gives twice that; loop centre B = N μ0 I ÷ 2R; solenoid B = μ0 n I, 2000 loops over 2.00 m with 1600 A gives 2.01 T, MRI; ferromagnetic cores)
- 23.1 Induced emf and magnetic flux (Faraday's iron-ring apparatus, emf only while the field changes, magnet pushed into a coil, faster motion gives more emf, generators, Φ = B A cos θ)
- NIST CODATA 2022 vacuum magnetic permeability μ0 = 1.25663706127(20) × 10⁻⁶ N/A² (physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mu0)
- NOAA NCEI Geomagnetism Frequently Asked Questions (ncei.noaa.gov/products/geomagnetism-frequently-asked-questions): field like a dipole at Earth's centre, over 90% from the outer core, intensity roughly 25,000 to 65,000 nT (0.25 to 0.65 gauss)
- 1 gauss = 100,000 nT, declination = angle between magnetic north and true north (east positive)
- inclination, dip poles, dipole axis 9.41° from the rotation axis (WMM2020, 2020.0)
- north magnetic pole moving about 55 km per year north-northwest (2001 and 2007 surveys)
- last reversal about 750,000 to 780,000 years ago, reversals spaced 5 thousand to 50 million years, a reversal would take several thousand years, models renewed every five years, blackout zones where H < 2000 nT, compass balance weights differ by hemisphere, true bearing = magnetic bearing + declination
- NOAA NCEI news "World Magnetic Model 2025 Released" (17 December 2024)
- NOAA NCEI "December 2025 State of the Geomagnetic Field" (north dip pole 36 km/yr and south dip pole 9 km/yr since 1 January 2025)
- USGS, "Pre-gilbertian conceptions of terrestrial magnetism" (pubs.usgs.gov/publication/70009843): Gilbert's De Magnete (1600) first suggested that Earth behaves as a great magnet. Royal Institution, Michael Faraday's ring-coil apparatus (rigb.org): made August 1831, success on 29 August 1831, the first electric transformer
- APS News "This Month in Physics History" (Aug 2001): Faraday's electromagnetic rotation experiments of September 1821, the principle behind the electric motor.
확인한 날: 2026-10-17