자기력, 보이지 않는 힘

 

매그니토 : 자네 피속에 철이 너무 많군...(미스틱이 간부의 몸에 주입한 철을 조종해 감옥에서 탈출하는 매그니토)
- 영화 <엑스맨2> 중에서 -

 

사진1. 지구어디에서든 항상 북쪽을 가리키는 나침반.

 

 

자기력이 정확히 뭘까?

어렴풋하게 알고 있던 자기력은 단순히 자석이 서로 붙는 힘 정도로 알고 있었다. 위키백과에 쓰인 첫 줄도 크게 다르지 않다.

자기(Magnetism)는 자석이 주위 물체들에게 어떤 영향을 미치는 것을 말한다. - 위키백과 -

나침반의 바늘을 움직이는 힘도 그것과 같다고 알고 있다. 작은 자석인 나침반 바늘의 북극을 가리키는 부분을 North의 의미로 N을 표시하게 되고 반대방향은 South의 S를 표시하게 되는데 다른 천연자석을 가져다 대어도 나침반의 바늘의 방향이 달라진다. 바늘의 N이 붙는 쪽이 자석의 S극이고 반대쪽이 N극이기 때문에 지구는 북쪽에 S극이 위치하고 남쪽에 N극이 위치한 하나의 거대한 자석으로 이해할 수 있다.

 

 

사진2. 지구의 자기장이 태양풍으로부터 지구 생물을 보호한다.

 

 

자석이 가진 자기력의 근원

보통 자기장 이야기 할때는 도선에 전류가 통하고 있을 때 발생하는 자기장을 말하지만 천연자석은 전기가 통하고 있지 않은데도 불구하고 존재 자체만으로 자력을 띠고 있다. 전류가 흐를때 자기장이 발생한다는 사실에 전류의 정의를 덧붙여 보자.

전류(電流, electric current)는 전하의 흐름으로, 단위 시간 동안에 흐른 전하의 양으로 정의된다. - 위키백과 -

전기의 본질

자석을 쪼개고 쪼개고 쪼개면 결국 모든 물질이 그렇듯 자석도 원자하나가 될때까지 쪼갤 수 있다. 원자는 원자핵을 주위로 전자가 돌고 있는데 이 전자가 곧 전하를 가진 입자이고 궤도를 따라 이동하면서 자기장이 발생한다. 마치 도선을 따라 흐르는 전류처럼 이해할 수 있는 것이다. 동시에 전자는 스핀이라고 하는 각운동량을 가지고 있다. 실제로 전자가 자전하고 있지는 않지만 고유의 특성으로서 존재하고 있으며 여기서도 자기장이 발생한다. 각각의 원자들이 가진 자기력은 약할지라도 눈에 보일정도로 크게 뭉친 자석은 쇳가루를 붙게 만들 정도로 강한 자력을 발생시키는 것이라고 한다. 위키백과에서는 이 내용을 다음과 같이 설명하고 있다.

전자의 스핀은 자기 모멘트로 나타나고, 이것이 전자 주위에 작은 자기장을 형성시킨다. 고전적으로 전자는 전하를 가진 공이 자전하고 있는 형태로 시각화할 수 있지만, 스핀은 양자역학 고유의 성질이므로 전자가 별개의 위/아래(up/down) 상태로 양자화된다는 사실 등처럼 고전적인 모형과는 차이가 있다. 고전적으로 전자는 원자핵 주위를 원운동하기 때문에 전자의 원자핵에 대한 오비탈 각 운동량 역시 강자성의 원인이 된다. 하지만 실제로 오비탈 각운동량이 강자기성에 기여하는 정도는 미미하며, 주된 원인은 원자 안의 전자의 스핀이다. 이렇게 형성된 원자 단위의 작은 자기 쌍극자들이 같은 방향으로 정렬할 때 작은 자기장들이 합쳐지면서 측정할 수 있을 정도의 거시적인 장을 만든다. - 위키백과 -

 

 

그래도 그 자기력이 대체 뭔지 모르겠다면...?

왜 굳이 전하를 가진 입자가 움직일때 '자기력'이라는 보이지도 않는 것이 생기는 걸까? 이번에 공부하면서 확실히 알아내었다. 결론부터 말하자면 자기력은 전기력의 상대론적인 효과일 뿐이다. 앞서소개한 포스팅에서 설명한 내용을 읽었다는 전제하에 설명하겠다.

전하를 가진 입자가 점처럼 가만히 존재하면 그 전기력이 미치는 범위내에서 전기력만 작용한다. 대전된 두 물체를 적당한 거리에 두었을때 인력, 혹은 척력이 작용하는 모습을 보면서 우리는 육안으로도 이를 확인할 수 있다. 그런데 이 전하를 가진 물체가 움직이면 특이한 상황이 발생한다. 다음 그림을 보자.

 

 

사진3. 도선과 전자

 

 

여기 남자와 여자가 있다. 남자와 여자는 서로 끌리는 힘을 받고 가까울수록 더 강하게 끌린다(여기서 젠더감수성은 무시하고 양전하를 여자에, 음전하를 남자에 비유한다). 이렇게 1자로 정렬되어있지는 않지만 전류가 흐를수 있는 도선과 도선 바깥에 있는 전자를 이렇게 표현해 볼 수 있다. 동성끼리는 서로 싫어하고 이성끼리는 이끌린다는 것만 기억하자. 도선 밖의 남자는 끌리는 여자 수 만큼 피하고싶은 남자수가 도선에 있어 딱히 가고싶지도 안 가고싶지도 않아한다.

 

 

사진4. 전류가 흐르는 도선과 정지해있는 전자.

 

도선에 전류를 흘려보았다. 전자의 이동방향은 전류의 반대방향이고 이렇게 전자가 움직이는 동안에도 바깥에 전자는 딱히 영향을 받는게 없다. 계속 남자들이 달라지고 있지만 남자눈에 보이는 거리에 있는 남녀 수 자체는 달라지지 않았기 때문이다. 

 

 

사진5. 전류가 흐르는 도선과 전류의 방향으로 이동하는 전자.

 

 

이번에는 전자가 전류의 방향으로 이동한다고 해보자. 남자가 전선을 따라 이동하더라도 볼 수 있는 시야는 한정되어있는데 여자의 수는 그 시야속에서 항상 10명이다. 하지만 도선속 남자들은 자신의 이동방향과 반대방향으로 달리면서 여자 10명을 지나칠동안 10명보다 훨씬 많은 남자들을 지나치게 된다. 즉 바깥의 남자 입장에서는 상대적으로 가까이있는 남자의 밀도가 증가한 것이다. 도선 바깥 남자는 이 도선이 남자가 더 많다는 것을 감지하고 정 반대 방향으로 멀어지고자 한다. 이때 생기는 힘이 바로 자기력이다!

 

 

사진5. 전류가 흐르는 도선과 전류의 반대방향으로 이동하는 전자.

 

 

역으로 전류의 반대방향으로 이동하는 전자에게는 도선 속의 남자가 상대적으로 적게 느껴진다. 자신과 같은 방향으로 도선속 남자들도 이동하고 있기 때문이다. 여자가 더 많은것 처럼 보여지기에 남자는 도선쪽으로 끌리는 힘을 받는다. 

 

 

사진6. 도선에 전류가 흐름에 따라 자기장이 발생하고 이동하는 전자는 이동방향과 자기장 방향에 모두 수직인 방향으로 힘을 받는다.

 

이제 기존에 알고있던 자기장 법칙을 떠올려보자. FBI FBI(F는 힘의방향, B는 자기장방향, I는 전류의 방향) 하면서 외웠던왼손법칙과 정확히 맞아 떨어진다는걸 알 수 있다.

 

사진7. 플레밍의 왼손 법칙

 

 

움직이는 전하가 있어야 자기력이 발생한다면 자석은?

영구자석은 딱히 전기가 흐르는 것도 아닌데 자기력이 존재한다. 앞에서 설명했던 도선에서는 전류가 흘러 전자가 한방향으로 이동했지만 영구자석의 원자에게는 원자핵을 도는 전자와 자기모먼트가 있다. 같은 방향의 자기모먼트를 가진 전자끼리는 사진6, 사진7 과 유사한 상태를 가지게 되고 인력이 발생하여 끌리게 된다.

 

유투브 채널 '안될과학' 에서 카이스트 김갑진 교수님이 자세하게 설명해주시고 있으니 참고하자.

동영상1. 유투브 '안될과학'