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자기장과 자기력선

지표의 지구 자기장은 약 25~65마이크로테슬라입니다. 병원 MRI 솔레노이드 안의 자기장은 그보다 수만 배 셉니다.

힘의 지도

자석은 직접 닿지 않고도 다른 자석을 밀거나 당깁니다. 이렇게 떨어진 채로 작용하는 힘을 정리해서 다루려고, 물리학자들은 자석 주변의 공간을 자기장(magnetic field), 다른 이름으로 B장으로 나타냅니다. 자기장은 공간의 모든 점에서 방향과 세기를 하나씩 가집니다. 자기장의 방향은 작은 나침반으로 정합니다. 그 자리에 둔 나침반 바늘의 N극이 가리키는 쪽이 바로 자기장의 방향입니다. 나침반은 크기가 충분히 작아서 자기가 재려는 자기장을 거의 흐트러뜨리지 않습니다.

막대자석 둘레에 나침반을 빙 둘러 놓고, 나침반들이 가리키는 방향을 하나로 이으면 자기력선(field line)이 됩니다. OpenStax 교재는 자기력선의 규칙을 네 가지로 정리합니다. 첫째, 어떤 점의 자기장은 그 점을 지나는 선의 방향을 따르므로 나침반은 선과 나란히 섭니다. 둘째, 자기장의 세기는 선이 얼마나 촘촘하게 모여 있는지로 나타냅니다. 선이 빽빽하게 모여 있는 곳일수록 자기장이 셉니다. 셋째, 자기력선은 절대 서로 엇갈리지 않습니다. 한 점에서 자기장이 가리키는 방향은 하나뿐이기 때문입니다. 넷째, 자기력선은 시작도 끝도 없는 닫힌 고리를 이룹니다. 자석 바깥에서는 N극에서 나와 S극으로 가고, 자석 안에서는 S극에서 다시 N극으로 이어집니다.

막대자석 둘레의 자기력선은 N극에서 나와 휘어지며 S극으로 들어갑니다. 자기장이 가장 센 극 근처에서 선이 가장 촘촘합니다.

자기력선은 자기장을 그림으로 나타내는 도구일 뿐이고, 공간에 실제로 걸려 있는 실이 아닙니다. 그래도 자석 위에 종이를 한 장 놓고 그 위에 쇳가루를 흔들어 뿌리면 자기력선의 무늬를 눈으로 볼 수 있습니다. 쇳가루 알갱이 하나하나가 작은 자석이 되어 그 자리의 자기장 방향으로 돌아섭니다. 그래서 쇳가루들은 자기력선과 같은 모양의 곡선을 따라 늘어서며 자리를 잡습니다.

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끌어서 돌리고, 휠이나 두 손가락으로 확대하세요.

작은 나침반 격자와 막대자석입니다. 큰 나침반을 끌고 다녀 보세요. 빨간 끝이 자기력선을 따라가고, 극 근처에서 선이 몰립니다.

자기장의 세기를 재는 단위: 테슬라

자기장 세기를 나타내는 SI 단위는 테슬라(T)입니다. 1테슬라는 꽤 센 자기장입니다. 1 T 자기장을 가로질러 놓인 길이 1 m 전선에 1 A의 전류가 흐르면 그 전선은 1 N의 힘을 받습니다. 그래서 1 T = 1 N/(A·m)입니다. 우리 생활 속에서 만나는 자기장은 이보다 훨씬 작아서 마이크로테슬라(μT, 100만분의 1테슬라)와 나노테슬라(nT, 10억분의 1테슬라)를 자주 씁니다. 더 오래된 단위인 가우스도 지질학이나 자석에 붙은 표시에서는 아직 흔히 씁니다. 1가우스 = 10⁻⁴ T = 100,000 nT입니다.

자기장의 크기를 비교할 기준값을 몇 개 알아 두면 도움이 됩니다. 미국 해양대기청(NOAA) 국립환경정보센터는 지표의 지구 자기장을 약 25,000~65,000 nT(25~65 μT, 0.25~0.65가우스)로 줍니다. OpenStax 교재는 이 값을 흔히 5.0 × 10⁻⁵ T, 다시 말해 50 μT로 반올림해서 씁니다. 교재의 풀이 예제에서는 실험실의 센 자석을 1.50 T로 두고, MRI 장치에 쓰는 종류의 큰 솔레노이드 안쪽을 2.01 T로 계산합니다. 이것은 지구 자기장의 약 4만 배나 되는 값입니다.

자기장세기
지표(NOAA 범위)25~65 μT
OpenStax가 쓰는 지구 어림값50 μT = 5.0 × 10⁻⁵ T
센 실험실 자석(OpenStax 예제)1.50 T
MRI 같은 큰 솔레노이드(OpenStax 예제)2.01 T

자석 두 개: 자기장이 더해집니다

자석 두 개가 서로 가까이 있으면, 어느 점에서든 그곳의 자기장은 두 자석의 자기장을 화살표처럼 더한 것입니다. N극과 S극을 마주 보게 놓으면 자기력선이 두 자석 사이의 틈을 곧게 가로질러 한 자석에서 나와 다른 자석으로 들어갑니다. 이때 틈의 자기장은 세고, 두 자석은 서로 끌어당깁니다. 이번에는 N극 두 개를 마주 보게 놓아 봅니다. 그러면 양쪽에서 나온 자기력선이 서로 옆으로 꺾입니다. 선들은 틈에서 옆으로 비집고 밀려 나가고, 두 극 사이의 한가운데에는 두 자기장이 서로 정확히 상쇄되는 지점이 하나 생깁니다. 정확히 바로 그 자리에 둔 나침반은 특별히 향할 방향이 없어서, 약한 지구 자기장만이 바늘을 돌려세웁니다.

자기장을 이렇게 더하는 방법으로, 책상 위에 둔 나침반이 왜 틀린 방향을 가리킬 수 있는지도 알 수 있습니다. 강철로 된 책상 틀이나 스피커 속의 자석, 가까이 지나는 배선에 흐르는 전류는 저마다 자기 자신의 자기장을 만들고, 가까이에서는 그 자기장이 25~65 μT인 지구 자기장보다 셀 수 있습니다. 그러면 나침반 바늘은 북쪽이 아니라 두 자기장을 모두 더한 방향을 가리킵니다. 그래서 바른 값을 읽고 싶을 때는 나침반을 금속 물건과 전기 기기에서 멀리 떨어뜨려 드세요.

B의 방향나침반 바늘의 N극이 가리키는 쪽
촘촘한 자기력선센 자기장
자석 바깥에서 자기력선은…N극에서 S극으로
테슬라(T)1 T = 1 N/(A·m)
1가우스10⁻⁴ T = 100,000 nT
핵심 정리
  • 나침반이 자기장 방향을 보여 줍니다. N극이 B 방향을 가리킵니다.
  • 자기력선: B와 나란하고, 촘촘할수록 세고, 엇갈리지 않으며, 바깥에서 N극에서 S극으로 가는 닫힌 고리입니다.
  • SI 단위는 테슬라, 1가우스 = 10⁻⁴ T입니다.
  • 지표의 지구 자기장은 약 25~65 μT입니다.
  1. 막대자석 바깥에서 자기력선의 방향은?
    • N극에서 S극으로
    • S극에서 N극으로
    • 두 극에서 곧게 멀어짐
    • 가운데를 중심으로 원
  2. 막대자석 둘레에서 자기력선이 가장 촘촘한 곳은?
    • 극 근처
    • 자석에서 먼 곳
    • 옆면 가운데
    • 어디나 같은 간격
  3. 자기력선 두 개가 엇갈릴 수 없는 이유는?
    • 한 점에서 자기장의 방향은 하나뿐이라서
    • 선끼리 밀어내서
    • 철로 되어 있어서
    • 자석 안에만 있어서
  4. 1가우스는 몇 nT일까요?
  5. 어느 곳의 지구 자기장이 50,000 nT입니다. 몇 가우스일까요?
  6. 50 μT를 테슬라로 나타내세요. 10⁻⁵ T 단위로 쓰세요. (5.0이면 5.0 × 10⁻⁵ T)
  7. 2.01 T는 50 μT의 몇 배일까요? (정수로)
  8. 나침반 바늘의 N극이 가리키는 것은?
    • 자기장의 방향
    • 언제나 북극점
    • 가장 가까운 철 조각
    • 전기장의 방향
  9. 자석 위에 뿌린 쇳가루가 줄을 서는 이유는?
    • 쇳가루마다 작은 자석이 되어 자기장 방향으로 돌아서
    • 전하를 띠어서
    • 공기 흐름이 밀어서
    • 중력이 극으로 끌어서
  10. 막대자석 안에서 자기력선의 방향은?
    • S극에서 N극으로
    • N극에서 S극으로
    • 없음. 극에서 끝남
    • 원을 그림
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