전류가 흐르는 도선이 받는 자기력

핵심 정리

자기장 속에 놓인 전류 도선은 힘을 받는다. 도선 속의 전하들은 도선 밖으로 빠져나가지 못하므로, 전하 하나하나가 받는 자기력이 도선 전체에 전달되어 도선이 힘을 받는다. 자기장 속에서 전하가 받는 힘의 방향은 플레밍의 왼손 법칙으로 정한다. 도선이 받는 힘의 방향도 같은 법칙으로 정한다. 왼손의 가운데손가락을 전류 방향에, 집게손가락을 자기장 방향에 맞추면 엄지가 가리키는 방향이 힘의 방향이다.

자기장에 수직인 직선 도선이 받는 힘의 크기는 전류의 세기, 도선의 길이, 자기장의 세기의 곱에 비례한다. 전류가 흐르는 도선이 받는 자기력의 크기는 전류의 세기에 비례하므로 전류가 2배이면 힘도 2배가 된다. 힘의 방향은 전류의 방향에 따라 정해진다. 전류의 방향을 반대로 하면 전류가 받는 자기력의 방향이 반대가 된다.

도선은 자기장만 받는 것이 아니라 다른 전류가 만든 자기장도 받는다. 그래서 나란히 놓인 두 직선 전류는 서로에게 힘을 준다. 나란히 흐르는 두 전류 사이에는 전류 방향이 같으면 서로 당기는 자기력이 작용한다. 반대로 평행한 두 직선 도선에 전류가 반대 방향으로 흐르면 서로 밀어내는 힘이 작용한다. 평행한 두 직선 도선에 반대 방향으로 전류가 흐르면 서로 밀어내는 힘이 작용한다.

한 도선이 여러 도선에서 받는 힘은 각 힘의 방향까지 고려해 더한다. 여러 도선이 한 도선에 작용하는 자기력의 합력은 벡터 합으로 구한다. 힘이 같은 직선 위에 있지 않으면 크기만 더해서는 안 되고 방향을 나누어 합성해야 한다.

자기장에 수직인 도선의 힘 F=BIL 같은 방향 전류는 서로 당김 반대 방향 전류는 서로 밀어냄

자세히

자기력을 다룰 때는 먼저 어떤 자기장이 어디에 있는지 확인한다. 직선 도선이 만드는 자기장은 도선을 중심으로 한 동심원 모양이고, 그 방향은 오른손 법칙으로 정한다. 엄지를 전류 방향으로 향하게 하고 나머지 네 손가락으로 감아쥐면 손가락이 향하는 방향이 자기장의 방향이다. 이렇게 구한 자기장 안에 다른 도선을 놓고, 그 도선의 전류 방향과 자기장 방향에 왼손 법칙을 적용하면 힘의 방향을 알 수 있다.

두 도선 사이의 힘은 다음 표로 정리할 수 있다. 힘의 방향은 두 전류가 같은 방향인지 반대 방향인지에 따라 달라지고, 크기는 두 전류의 세기가 클수록, 도선 사이 거리가 가까울수록 커진다.

이 표를 익히면 평행한 두 직선 도선 사이에 작용하는 자기력의 방향을 판단할 수 있다. 같은 방향 전류는 서로 끌어당기고, 반대 방향 전류는 서로 밀어낸다.

하전 입자의 운동에서도 자기력의 방향을 판단하는 원리가 쓰인다. 자기장에 수직인 방향으로 운동하는 대전 입자는 속도에 수직인 자기력을 받아 원운동을 한다. 원운동의 반지름은 자기장의 세기에 반비례하므로, 자기장이 강한 곳에서는 입자가 더 작게 휘어진다. 같은 방향으로 휘던 입자가 자기장 방향이 반대인 영역으로 들어가면 휘는 방향도 반대가 된다. 이때는 자기장 방향을 먼저 확인하고 각 영역에서 힘의 방향을 따로 정해야 한다.