자기장

자기장

원형 도선의 자기장

전류가 흐르는 폐곡선인 전류 고리를 따라 전류가 흐를때 이 고리는 균일한 자기장에서 알짜힘은 받지 않지만 토크를 받는다. 고리에 흐르는 전류를 $I$ 라 하고, 고리가 만드는 면적을 $A$ 라 하고, 고리가 이루는 면에 수직한 방향으로 자기장 $B$ 이 걸려 있을 때의 토크는

τ = I A B

$\tau = IAB$ 이다. 이때 곱

I A

$IA$ 를 전류고리의 자기쌍극자모멘트(magnetic dipole moment)라고 정의한다. 보다 일반적으로 자기쌍극자모멘트를 다음과 같이 벡터량으로 정의한다.

μ = I A

$\mathbf{\mu} = I \mathbf{A}$ 여기서

A

$\mathbf{A}$ 는 면에 수직한 방향으로 면적을 크기로 한 면적벡터이다. 이제 토크도 다음과 같이 벡터 식으로 정리된다.

τ = μ \times B

$\mathbf{\tau} = \mathbf{\mu} \times \mathbf{B}$

한편 전류 고리는 스스로 다음 그림에서 보인 것과 같이 자기장을 만든다.

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원형 도선의 자기장_ 원형 도선에 전류가 흐르면 그림에서 보는 것처럼 그 내부를 감돌아 나오는 방향으로의 자기장이 생긴다. 그림의 오른 손가락은 전류가 엄지손가락 방향으로 흘렀을 때 자기장이 나머지 손가락이 감싸쥐는 방향으로 형성되는 것을 보여준다. 오른쪽에 막대자석이 만드는 자기장과 비교하여 나타내었다.

_ 알짜힘_ 전류

중국에서 나침판이 발명되어 항해술에 비약적인 발전을 가져왔다. 이 나침판이 서양에 전래되어 15세기 이후의 대항해시대를 여는 데도 결정적인 기여를 하였다. 이것이 이용되기 시작할 당시에는 나침판이 북쪽과 남쪽을 가리키는 이유에 대해서는 몰랐지만 19세기 전기자기 현상에 대한 이해가 높아지면서 지구 자기장이 영구자석에 토크를 작용하는 것과, 지구 자기장의 두 극이 지리학적인 남극, 북극과 거의 일치하는 사실때문이라는 것을 알았다.

자석의 N극이 북쪽을 향하고 S극이 남쪽을 향한다는 것은 지구의 북극이 S극, 남극이 N극이라는 것을 말한다. 아래 그림은 지구 자기장의 분포와 지구 주위의 밴 알렌복사대의 모습을 보여준다.

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지구 자기장과 밴 앨런복사대_ 왼쪽 그림은 지구 자기장의 분포를 보여주고 있고, 오른쪽 그림은 지구의 불규칙한 자기장에 의해 대전입자가 가두어진 밴 앨런대를 보여준다.

밴 알렌복사대(Van Allen radiation belt)는 지구 자기장이 균일하지 않아 그 곳에서 운동하는 대전입자가 나선운동을 거듭하면서 자기장의 불룩한 항아리 구조속에 갇혀 있는 영역을 말한다. 위 그림의 오른쪽 부분에서 보이듯이 밴 알렌대는 지구의 남극과 북극을 크게 연결한 형태를 하게 되며 주로 태양에서 오는 전자와 양성자 등 대전입자가 두 극사이를 나선운동을 하면서 오가게 된다. 이 밴 알렌대는 극지에서는 대기권에 가까워지기 때문에 대기의 기체와 충돌해서 가시광선을 내보내게 되는 데 이것이 오로라(aurora, 극광)이다.

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불균일한 항아리 모양의 자기장에서의 대전입자의 운동_ 가운데가 불룩한 형태의 자기장 구조에서 대전입자가 나선운동을 하고 있다. 가장자리에 다다른 입자는 다시 가운데의 불룩한 방향으로 되돌아 와서 반복운동을 하게 된다.

_ 가시광선_ 양성자_ 대전

자기장

원형 도선의 자기장

영구자석

영구자석의 자기장_

지구 자기장

지구 자기장과 밴 앨런복사대_ 왼쪽 그림은 지구 자기장의 분포를 보여주고 있고, 오른쪽 그림은 지구의 불규칙한 자기장에 의해 대전입자가 가두어진 밴 앨런대를 보여준다.