[물리학-전자기학] 29. 자기력선 | Magnetic Field Lines

 

자기력선은 자기장의 힘을 나타내는 가상의 선으로 철가루를 자석 주위로 뿌렸을 때 [그림 1]과 같은 형태로 자기력선이 나타난다.

 

그림 1. 자기력선

 

자기력선

Magnetic Field Lines

 

자기력선은 [전자기학_05. 전기장 1]에서 학습한 전기력선과 매우 유사한 특징을 공유한다.

 

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[물리학-전자기학] 05. 전기장 1 | Electric Field (1)

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• 균일한 자기장 내에서 자기력선은 서로 평행하며, 서로 간에 교차하지 않는다.
• 자기력선의 방향

1. 자석에 의한 자기력선의 방향은 N극에서 S극을 향한다.[그림 2]
2. 전류에 의한 자기력선의 방향은 동심원을 그리며, 오른손 법칙[그림 3]을 따른다.

 

 

그림 2. 자석에 의한 자기력 [출처: University Physics with Modern Physics, Bauer & Westfall, 2nd ed., 2014, p.821]

 

 

그림 3. 전류에 의한 자기장

 

 

• 전기력선은 개별적인 전하에 의해 (+)전하에서 발산해 (-)전하로 수렴하는 형태를 띤다. 마찬가지로 자기력선은 N극에서 발산하여 S극으로 수렴하는 형태를 갖는데, 단 자석의 두 극은 분리될 수 없으므로, 자기력선은 항상 닫혀있는 형태[그림 4]를 띤다.

 

그림 4. 두 막대 자석에 의한 자기력선의 모양

 

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• 임의의 점을 통과하는 자기력선은 그 점에서 벡터량인 자기장의 접선방향이 되도록 그린다.
• 자기력선들이 밀집된 곳일수록 자기장이 세지고 자기력 또한 강해진다. ⇒ 자속(flux of magnetic field intensity)

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그러나 전기력선과 다르게 한 가지 유의해서 할 점은 자기력선이 곧 자기력의 방향을 가르키진 않는다는 사실이다. 자기력의 방향은 (1)대전입자의 속도 v와 (2)자기장의 방향 B 정보에 따라 (3)오른손 법칙으로 그 방향을 확인[그림 5]할 수 있는데, 자기력은 추후에 더욱 자세히 살펴보도록 한다.

 

 

그림 5. 자기력 F의 방향

 

 

자기선속(자속)

Flux of Magnetic Field Intensity

 

자기선속은 자기력선에 수직한 면을 지나는 자기력선의 개수 또는 다발을 의미한다.

• 자기선속은 어떤 면을 통과하는 자기력선의 개수에 비례한다.
• 자기선속 내 실질적인 자기력선의 개수는 기호 Φ_B로 쓴다.

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[물리학-전자기학] 06. 전기장 2 | Electric Field (2)

 

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자기력선의 형태는 전기력선과 다르나, 선속의 개념은 동일하므로 전기선속의 공식을 응용하여 자기선속 식을 아래와 같이 세울 수 있다.

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자기선속

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자기장이 균일하지 않은 곳에서 자기선속[그림 6]

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위 식의 이중적분은 면적분을 의미한다.

• 의미: 선속의 값은 자기장의 형태와 표면에 의해 결정된다.

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자기장의 크기 단위는 테슬라[T]이며, 1테슬라의 정의는 다음과 같다.

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1[T]=1[N·s/C·m]

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그리고 이 단위 정의를 활용해 자기선속의 단위는 웨버[Wb]라고 하며, 아래와 같이 1[Wb]를 정의했다.

• 자기선속의 단위: 웨버[Wb]
• 1[Wb]는 1[T·m^3]=1[V·s]이다.

 

그림 6. 자기선속  [출처: Sears & Zemansky's University Physics with Modern Physics, Young & Freedman, 14th ed., 2016, p.913]