[오른나사의 법칙] 자석의 정체는 ‘움직이는 전기’였다?! 일상 속 현상으로 배우는 신비한 전자기의 세계

사이언스 트레이너 구와코 켄입니다. 매일이 실험.

전류가 만드는 자기장: 전기와 자기의 숨겨진 관계를 풀어보자

어릴 때 모래밭에서 자석에 사철을 붙이며 놀아본 적 있나요? 그 신기한 힘에 가슴이 두근거렸던 분도 많을 거예요. 또 책받침으로 머리를 문질러 머리카락이 쭈뼛 서던 정전기도 과학 시간에 배우는 아주 친숙한 현상이죠. 그런데 이 ‘자석의 힘’과 ‘정전기의 힘’이 사실은 똑같은 ‘전기’라는 현상에서 나온다는 걸 알게 된다면 어떤 기분이 들까요?

예전에는 많은 과학자가 이 두 힘을 서로 전혀 다른 것이라고 생각했습니다. 그런데 1820년, 덴마크의 물리학자 한스 크리스티안 외르스테드가 역사를 뒤바꾼 대발견을 합니다. 도선에 전류를 흘렸더니, 옆에 놓아둔 나침반 바늘이 평소와 다른 방향을 가리킨 거예요. 마치 마법 같은 일이었죠.

이 발견은 ‘움직이는 전기(전류)’가 ‘자기’를 만들어낸다는 사실을 증명했습니다. 가만히 있는 전기(정전기)는 자기와 아무 관계가 없는데, 일단 흐르기 시작하면 갑자기 자기를 띠기 시작하는 거예요. 이 놀라운 발견 덕분에, 지금까지 따로따로라고 여겼던 전기와 자기가 사실은 동전의 앞뒷면처럼 아주 가깝게 이어져 있다는 것이 밝혀졌습니다. 그럼 이 ‘전기와 자기의 연결고리’를 풀어주는 열쇠가 되는 법칙과 그 활용법을 함께 살펴볼까요?

자기장이란 무엇일까?

먼저 자기의 세계에서 힘의 작용을 생각할 때 빼놓을 수 없는 ‘자기장’부터 알아봅시다. 자기장이란 자기적인 힘이 미치는 공간을 말하며, 자석이나 전류 주위에 생겨납니다. 자석에 사철을 가까이 가져가면 N극과 S극에 사철이 빽빽하게 달라붙죠? 이건 자석이 주변에 자기장을 만들고, 그 영향으로 사철이 끌려오기 때문이에요.

자석의 신비로운 힘은 아주 오래전부터 알려져 있었습니다. 천연 자석이 튀르키예의 ‘마그네시아’ 지방에서 많이 채취되었기 때문에 ‘마그넷(magnet)’이라는 이름이 붙었다고 해요. 자석에는 N극과 S극이라는 두 개의 극이 있고, 정전기와 마찬가지로 같은 극끼리는 밀어내고 다른 극끼리는 끌어당깁니다.

이런 자기적인 힘이 작용하는 모습을 눈으로 볼 수 있게 해주는 방법이 바로 자기력선입니다. 막대자석 주위에 나침반을 놓으면 나침반 바늘이 규칙적인 방향을 가리켜요. 나침반의 N극이 가리키는 방향을 따라 선을 그어 나가면, N극에서 나와 S극으로 돌아 들어가는 신기한 곡선이 나타납니다. 이 선을 자기력선이라고 부릅니다. 자기력선이 빽빽할수록 자기장이 강하다는 뜻이에요.

トントン叩くだけで浮かび上がる、磁力線のふしぎな模様（磁界の観察）

 

전류가 자기장을 만든다: 오른나사의 법칙

외르스테드의 실험으로 전류가 자기장을 만들어낸다는 걸 알게 되었습니다. 그렇다면 그 자기장은 어떤 모양으로 생겨날까요?

곧은 도선에 전류를 흘리면 그 주위에 소용돌이치듯 자기장이 생깁니다. 이 자기장의 방향은 오른손 엄지손가락을 전류가 흐르는 방향으로 향했을 때, 나머지 네 손가락이 감기는 방향과 같아요. 마치 ‘오른나사’를 돌릴 때 나사가 나아가는 방향(전류)과 돌아가는 방향(자기장)이 짝을 이루는 것과 같죠. 이 신기한 법칙을 ‘오른나사의 법칙’이라고 부릅니다.

그리고 전류가 만드는 자기장의 세기에는 다음과 같은 법칙이 있습니다.

H = I / 2πr

자기장(H)은 흐르는 전류의 크기에 비례하고, 도선으로부터의 거리(r)에는 반비례합니다. 다시 말해, 전류를 많이 흘릴수록, 그리고 도선에 가까이 갈수록 자기장이 강해진다는 뜻이에요.

전류로 자석을 만들다: 전자석

전류가 자기장을 만든다는 법칙은 우리 주변에서 아주 폭넓게 쓰이고 있습니다. 그 대표적인 예가 바로 ‘전자석’이에요.

전류가 흐를 때만 자기장이 생기고, 전류를 끊으면 자기장이 사라진다. 이 성질을 잘 활용하면 강력한 자석을 만들 수 있지 않을까요?

그 열쇠가 되는 것이 도선을 빙글빙글 감은 ‘코일’입니다. 앞에서 배운 오른나사의 법칙을 떠올려 보세요. 동그랗게 감은 도선에 전류를 흘리면, 코일 중심 부분에서는 모든 곳에서 생긴 자기장이 같은 방향을 향하며 서로를 강화해 줍니다. 이런 코일을 여러 겹으로 겹쳐 감아 전류를 흘리면 중심에 아주 강한 자기장이 생겨서, 마치 진짜 막대자석처럼 작동해요.

전자석의 자기장 방향도 오른손 법칙으로 간단히 알 수 있습니다. 검지부터 새끼손가락까지를 ‘전류가 흐르는 방향’에 맞춰 감아 쥐었을 때, 엄지손가락이 가리키는 방향이 자기장의 방향이에요. 이 ‘전자석’은 크레인으로 고철을 나르거나, 재활용 공장에서 알루미늄 캔과 스틸 캔을 분리하는 등, 우리 생활을 뒷받침하는 다양한 곳에서 활약하고 있습니다.

자석의 정체는 ‘분자 전류’?

그렇다면 애초에 우리가 평소 쓰는 자석은 왜 자기장을 뿜어내는 걸까요?

과학자들은 이 수수께끼를 풀기 위해 원자의 세계까지 들여다보았습니다. 원자 주위에서는 마이너스 전하를 띤 전자가 마치 행성처럼 빙글빙글 돌고 있어요. 이 전자의 움직임은 작은 원형 고리를 따라 전류가 흐르는 것과 똑같습니다.

이 생각을 한 걸음 더 밀고 나간 사람이 프랑스의 과학자 앙드레마리 앙페르입니다. 그는 자석 내부에 무수히 많은 작은 원형 전류가 흐르고 있고, 그것들이 한 방향으로 가지런히 정렬해 있기 때문에 전체적으로 강력한 자기장이 만들어진다고 생각했어요. 이것을 ‘분자 전류설’이라고 합니다.

사철이나 못이 자석에 달라붙는 것은 바깥에서 자기장을 받으면 내부 원자의 원형 전류 방향이 일시적으로 맞춰지면서 그 자체도 자석이 되기 때문입니다. 이 현상을 ‘자화’라고 해요.

이런 관점 덕분에 우리가 일상에서 겪는 다양한 자기 현상도 설명할 수 있게 되었습니다. 예를 들어 지구의 북극과 남극을 잇듯이 존재하는 ‘지구 자기장’은, 지구 내부의 녹은 금속이 자유 전자와 함께 자전하면서 전류가 생기고 그것이 자기장을 만들어낸다는 ‘다이너모 이론’으로 설명됩니다. 지구라는 거대한 자석도 그 뿌리에는 ‘전류’가 있었던 셈이죠.

전기와 자기는 얼핏 전혀 다른 현상처럼 보이지만, 사실은 아주 밀접한 관계였습니다. 이 ‘전기와 자기의 통일’은 아인슈타인의 상대성이론으로까지 이어지는 중요한 발견이었어요. 우리 생활에 없어서는 안 될 전자제품들도 이 물리 법칙 없이는 존재할 수 없습니다.

※ 이 글은 제 저서 『어른을 위한 고교 물리 복습장』의 부록 기사로 쓴 글입니다. 다른 글들도 읽어보실 수 있으니 아래 링크에서 확인해 보세요.

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『어른을 위한 고교 물리 복습장』(아마존 링크)

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