자기장의 형성과 자기력

1. 자기장

 자기장은 만드는 방법은 두 가지가 있는데 첫 번째는 전기적으로 대전된 입자들의 운동을 이용하는 것으로 전류를 이용하여 전자석을 만드는 것이고 두 번째 방법으로는 소립자들이 생성하는 것이다. 전자와 같은 소립자들은 고유의 자기장을 가지고 있고 물질의 기본 특성 중 하나이다. 어떤 물질에서 주변에 알짜 자기장을 만들 때 전자가 만드는 자기장을 더한 효과를 고려해야 하는데 이렇게 더해지는 자기장은 영구자석이 영구 자기장을 만들게 한다. 다른 물질의 경우는 전자의 자기장이 서로 상쇄되어 알짜 자기장을 만들지 못하고, 인체에 영구 자기장이 없는 이유도 이와 동일하게 전자의 자기장들이 서로 상쇄되어 없어지기 때문이다. 자기장은 자기장 내의 대전 입자가 움직일 때 작용하는 자기력을 이용하여 정의할 수 있다. 그렇기 때문에 자기장을 정의하고자 하는 위치에 대전 입자를 다양한 속력으로 발사하여 그곳에서 입자에 작용하는 자기력을 측정해 자기장을 표현할 수 있으며, 여기서 입자의 속도가 측정 위치를 지나는 특정 방향의 축에 나란할 경우 자기력은 0이 된다. 다른 방향의 속도에서는 자기력이 0인 축 방향과 속도 방향 사이의 각도가 주어질 때 자기력의 크기는 항상 대전된 전하, 입자의 속도, 각도를 sin 함수를 취해 곱한 값과 비례하며 자기력의 방향은 항상 속도의 방향에 수직으로 작용하기 때문에 벡터량으로 표현할 수 있다. 
 자기장 선은 전기장처럼 자기장도 선으로 표현할 수 있는 것이며, 선을 그릴 때는 전기장과 유사한 규칙을 적용할 수 있다. 자기장 선의 위의 한 점에서 접선방향은 자기력의 방향과 동일하며, 자기장선 사이의 간격은 자기력의 크기를 나타낸다. 전기장선과 동일하게 자기장선이 밀집된 지역에서는 자기장이 세며, 밀집되어 있지 않은 곳에서의 자기장은 약하다. 막대자석의 자기장선을 그리게 되면 모든 자기장선은 자석을 통과하며 닫힌 고리를 만들고 막대자석의 끝에서 선이 가장 밀집되어 있어서 자기장이 가장 세다. 자기장선은 한쪽 끝에서 나와서 다른 끝으로 들어가게 되는데, 자기장선이 나오는 끝을 북극, 자기장선이 들어가는 끝을 남극이라고 한다. 여기서 서로 다른 극들은 서로 잡아당기고 같은 극들은 서로 밀어내는 성질을 가진다. 지구에도 자기장이 있는데 나침반을 통해서 측정할 수 있다. 나침반 내의 막대자석이 북극 쪽으로 끌려서 이 때문에 바늘이 돌아가 북쪽과 남쪽의 위치를 알 수 있게 된다. 

 

2. 자기력

 입자에 작용하는 자기력의 크기는 전하와 속력에 비례해서 전하가 없거나 정지해 있을 경우 자기력은 0이다. 그리고 자기장의 방향과 속력의 방향이 수평일 경우 자기력이 가장 크다. 자기력의 방향을 알기 위해서 오른손 규칙을 이용하면 알 수 있다. 전기장과 자기장은 모두 대전입자에 힘을 가할 수 있는데, 이 두 개의 장이 서로 수직일 때 교차장이라고 한다. 전자의 질량과 전하의 비율을 측정하는 장치 중 하나가 텔레비전의 브라운관과 같은 음극선관이다. 음극선관은 진공상태이고 한쪽 끝에 있는 뜨거운 필라멘트에서 튀어나온 전자들이 전압 차에 의해서 가속되는데 이 전자들이 슬릿을 지나면서 가느다란 선속이 된 후에 교차장을 지나 형광 화면에 부딪혀 작은 점의 빛을 내며, 이러한 점들이 모여서 텔레비전의 화면을 이룬다. 교차장 속에서 대전 입자에 작용하는 힘은 대전 입자를 화면의 중심에서 바깥쪽으로 쏠리게 하는데, 교차장의 크기와 방향을 조절해서 화면 위에 생기는 빛 점의 위치를 컨트롤할 수 있다. 음전하를 띤 입자에 작용하는 전기력은 전기장과 반대 방향이므로 교차장이 있을 때 전기장과 자기장은 서로 반대 방향으로 작용한다. 이 교차장을 이용하면 대전 입자의 속도와 질량 등을 알아낼 수 있다. 전도 전자들은 진공에서 자기장에 의해 휠 수 있는데, 구리 도선 속에서의 전도 전자들도 자기장에 휠 수 있다. 이는 Hall 효과라고 하고 전도체에서 전하 운반자의 부호와 밀도를 측정할 수 있는 실험이다. 구리 도선에 전류가 흐르는 때 전자는 속력을 가지고 움직이는데 이때 외부 자기장을 걸면 자기력이 전자에 작용하여 전자가 움직인다. 이때 가해주는 외부 자기장의 방향에 따라서 전자의 움직이는 방향이 달라지며 전자들이 움직이면서 전기장을 형성하게 되고 전자에 작용하는 전기력은 원래의 자기력을 상쇄시킬 때까지 커져서 두 힘이 균형을 이루는 평형상태에 이루게 된다. 평형상태에 도달하게 되면 전기장도 더 이상 증가하지 않고 유지되어 일정한 유동 속도를 가지며 움직이게 된다. Hall의 전압은 전기장과 구리 도선의 폭을 곱한 값으로 나타낼 수 있다.