🔧 집에서 직접 해보기

어른의 지도 아래 나침반과 1.5 V 건전지 1개, 피복 전선으로 실험해 보세요. 전선을 나침반 바로 위에 놓고, 전류를 흘리기 전 자침이 가리키는 남북 방향과 나란히 맞춥니다. 전선 양 끝의 피복을 벗긴 부분을 건전지의 두 단자에 잠깐 접촉한 뒤 즉시 떼어 보세요. 나침반 바늘이 움직이나요? 건전지 단자에 연결하는 전선 양 끝을 서로 바꾸어 바늘이 반대로 움직이는지도 확인해 보세요. 건전지의 두 단자를 전선으로 직접 연결하면 단락되어 전선과 건전지가 뜨거워질 수 있습니다. 몇 초 이상 연결하지 말고, 따뜻해지면 즉시 분리해 충분히 식히세요.

💡 재미있는 사실!

1820년 덴마크 과학자 외르스테드는 전류가 흐르는 전선 옆에서 나침반이 움직이는 것을 보고 "전기와 자기가 서로 연결되어 있다"는 사실을 처음으로 실험으로 밝혀 널리 알렸습니다. 이 발견이 오늘날 전자기학의 출발점이 되었습니다.

🧑‍🏫 선생님·학부모님을 위한 설명 도움말

원리 자세히 보기

• 자석의 원천 — 전자의 스핀 — 전자는 전하를 띠고 있으면서 마치 팽이처럼 스스로 도는 성질(스핀)이 있어, 전자 하나가 아주 작은 자석(자기 모멘트) 역할을 합니다. 원자 안에서는 전자가 원자핵 둘레를 도는 궤도 운동도 작은 전류 고리를 만들지만, 철 같은 물질에서 자성의 주된 원인은 스핀입니다. 전자 한 개가 알갱이처럼 실제로 '자전'하는 것은 아니며, 스핀은 양자역학에서 말하는 전자의 고유한 성질입니다. 학생에게는 "전자가 아주 작은 자석"이라고 설명하면 충분합니다. 전자는 대개 둘씩 짝을 지어 서로 반대 방향의 스핀을 가지므로 자성이 상쇄되고, 짝이 없는 전자가 많은 원자(철·니켈·코발트 등)가 자석이 되기 쉽습니다.
• 자구(자기 영역)와 자석이 되는 과정 — 철 같은 강자성체에서는 이웃한 원자의 스핀끼리 같은 방향으로 나란해지려는 상호작용(교환 상호작용)이 있어, 수 마이크로미터 크기의 작은 영역 안에서는 모든 스핀이 한 방향을 향합니다. 이 영역이 자구입니다. 자석이 되기 전의 쇠못은 자구마다 방향이 달라 서로 지워져 밖으로 자기장이 거의 나오지 않습니다. 강한 자석을 가까이 하거나 문지르면 자기장과 같은 방향의 자구는 커지고 다른 방향의 자구는 줄어들며 한 방향으로 정렬되어 자석이 됩니다. 영구 자석은 정렬이 쉽게 흐트러지지 않는 재료(네오디뮴·페라이트 등)이고, 전자석 철심은 전류를 끊으면 정렬이 풀리는 연한 재료를 씁니다.
• 자성을 잃는 경우 — 퀴리 온도 — 온도가 오르면 원자의 열운동이 스핀의 정렬을 흩트립니다. 이 한계 온도가 퀴리 온도로, 철은 약 770 °C, 니켈은 약 358 °C, 코발트는 약 1115 °C입니다. 이 온도를 넘으면 강자성이 사라지고, 식어도 자구 방향이 제각각이라 처음의 자석으로는 돌아오지 않습니다. 세게 두드리거나 떨어뜨리는 충격도 자구를 흩어 자성을 약하게 만듭니다.
• 자석을 잘라도 N·S가 계속 생기는 이유(조금 더) — 자기장에는 전기의 가우스 법칙에 해당하는 법칙(자기장의 발산은 0이다, "자기장 선은 새로 생기거나 사라지지 않는다")이 있어 자기장 선이 끊기지 않고 닫힌 고리가 됩니다. 이는 자기 홀극(N극 또는 S극 단독)이 없다는 뜻이며, 자석을 자르면 자구와 원자 스핀 하나하나가 모두 N·S 한 쌍(자기 쌍극자)이므로 조각마다 양극이 새로 나타납니다. 홀극이 존재할 가능성은 이론적으로 논의되고 실험으로 찾고 있지만, 아직 확인된 적은 없습니다.
• 자기장은 얼마나 셀까? — 충분히 긴 곧은 전선 바깥의 자기장은 전류에 비례하고 전선 중심에서의 거리에 반비례해 약해집니다. 1 A(암페어)의 전류가 흐르는 전선에서 1 cm 떨어진 곳의 자기장은 약 20 μT(마이크로테슬라)로, 지구 자기장(약 50 μT, 0.5 G)의 절반이 조금 안 됩니다. 그래서 나침반 실험에서는 전선을 나침반 바로 위에 바짝 대야 바늘이 잘 움직이며, 바늘은 지구 자기장과 전선의 자기장을 합친 방향을 가리킵니다.
• 오른손 법칙 쓰는 법 — 오른손 엄지를 전류 방향으로 두고 전선을 감아쥐면, 나머지 네 손가락이 감기는 방향이 자기장의 방향입니다. 이때 '전류 방향'은 외부 회로를 따라 (+)극에서 (−)극으로 흐른다고 정한 약속이고, 실제 전자는 그 반대 방향으로 움직입니다.
• 감으면 세진다 — 전자석 — 전선을 코일로 여러 번 감으면 고리마다 생긴 자기장이 한 방향으로 더해져 막대자석과 같은 모양의 자기장이 됩니다. 코일 안에 철심을 넣으면 철 속의 작은 자석들이 같은 방향으로 줄을 서서 자기장이 훨씬 강해집니다. 전류를 끊으면 자기장이 크게 약해지므로 켜고 끌 수 있는 자석이 되어, 고철 운반 크레인·초인종 등에 쓰입니다. 철심의 재질에 따라 전류를 끊어도 자성이 일부 남을 수 있습니다.
• 힘은 서로 주고받는다 — 전동기 — 전류가 나침반(자석)을 움직인다면, 반대로 자석도 전류가 흐르는 전선에 힘을 줍니다. 자기장 속의 전선이 받는 이 힘을 계속 돌아가게 만든 것이 전동기(모터)입니다. 움직이는 전자가 자기장에서 받는 힘(로런츠 힘)은 자연 속 진동과 교류 편에서 더 자세히 다룹니다. 모터가 도는 모습은 다음 편 자기장-전기 (전동기와 발전기)의 시뮬레이션으로 직접 볼 수 있습니다.
• 코일을 통과하는 자기장이 변하면 — 유도 — 코일을 통과하는 자기장의 양인 자기선속이 변하면 전압이 유도되고, 회로가 닫혀 있으면 전류가 흐릅니다. 자석과 코일을 모두 고정해 두면 전류가 유도되지 않지만, 자석을 코일에 넣거나 빼면 흐를 수 있습니다. 자기장 자체가 일정해도 코일을 돌려 자기선속을 바꿀 수 있습니다. 발전기·변압기·교통카드가 이 원리를 씁니다(RFID/NFC). 발전기가 전압을 만드는 과정은 다음 편에서 코일을 돌려 보며 확인합니다. 코일이 전류의 변화를 거스르는 성질과 교류에서의 쓰임은 축전기·코일과 교류의 만남 편에서 이어집니다.
• 전파로 이어지는 길 — 전류의 방향이 계속 바뀌면 자기장도 따라 변하고, 변하는 자기장은 다시 전기장을 만듭니다. 이 사슬이 전파가 되는 과정은 직류와 교류의 차이와 전파는 어떻게 만들어질까? 편으로 이어집니다.

전기와 자기 연구의 발전사

1831년 패러데이의 전자기 유도 발견과 그 뒤 맥스웰까지의 이야기는 전파는 어떻게 만들어질까? 편의 '좀 더 알아보기 — 맥스웰 방정식'에서 다룹니다.

비유로 설명하기

• 전선 둘레의 자기장은 "꼬치에 꿴 도넛 고리"와 같습니다. 전선(꼬치)을 중심으로 동그란 고리가 겹겹이 둘러싸고 있고, 꼬치에서 멀리 있는 큰 고리일수록 힘이 약합니다.
• 철심이 자기장을 키우는 것은 "제멋대로 서 있던 학생들이 선생님 구령에 맞춰 한 방향으로 줄을 서는 것"과 같습니다. 각자 다른 방향을 볼 때는 힘이 서로 상쇄되지만, 한 방향으로 서면 힘이 합쳐집니다.

자주 하는 오해

• "전류의 방향은 곧 전자가 움직이는 방향이다" — 전류의 방향은 전자가 발견되기(1897년) 훨씬 전에 외부 회로를 따라 (+)에서 (−)로 흐른다고 정한 약속입니다. 실제로 (−)전하를 띤 전자는 반대 방향으로 움직이지만, 오른손 법칙 등은 모두 약속된 전류 방향을 기준으로 합니다.
• "전자가 반대로 움직이니 자기장도 약속된 전류 방향과 반대로 생겨야 한다" — 자기장을 정하는 것은 전자가 움직이는 방향만이 아니라 전하의 부호 × 움직이는 방향입니다(비오–사바르 법칙). (−)전하가 B → A로 움직이는 것과 (+)전하가 A → B로 움직이는 것은 이 곱이 같아서 전류도 자기장도 똑같습니다. 그래서 전선 바깥의 자기장만 재서는 둘을 구별할 수 없고, 약속된 방향으로 계산해도 결과가 틀리지 않습니다. 본문에서 전자 이동 방향을 기준으로 하면 왼손을 써야 한다고 한 것도 이 때문입니다. 다만 홀 효과처럼 전하의 부호까지 구별하는 실험도 있으며, 이를 통해 금속 속에서 실제로 움직이는 것이 전자라는 사실이 확인되었습니다.
• "나침반의 N극은 지구의 N극을 가리킨다" — 자석은 서로 다른 극끼리 끌어당기므로, 나침반 N극이 끌려가는 북쪽 지방에는 사실 지구라는 자석의 S극이 있습니다. '북극'은 땅의 이름이고 'N극'은 자석의 극 이름이라 헷갈리기 쉽습니다.

함께 해 볼 질문·활동

• 쇠못에 피복 전선(또는 에나멜선)을 10번, 30번 감아 1.5 V 건전지에 잠깐 연결하고, 클립을 몇 개 들어 올리는지 비교해 보기 (건전지는 1개만 쓰고 몇 초씩만 연결하세요. 오래 연결하면 전선과 건전지가 뜨거워집니다.)
• 스마트폰의 자기장 센서(자력계) 측정 앱을 켜고 전자석이나 냉장고 자석에 가까이, 멀리 대 보며 숫자가 어떻게 변하는지 기록하기
• "전류의 방향을 반대로 바꾸면 자기장의 방향은 어떻게 될까?" 예상해 본 뒤 오른손 법칙과 애니메이션으로 확인하기