자기장과 자기력선

자기장은 공간의 한 점에서 자기력을 느끼게 하는 물리적 장(場)이다. 이는 전하를 띤 입자가 운동할 때, 또는 영구자석과 같은 자기 쌍극자 주변에 형성되는 벡터장으로 정의된다. 자기장은 눈에 보이지 않지만, 철가루를 뿌렸을 때 배열되는 모습이나 나침반 바늘이 특정 방향을 가리키는 현상을 통해 그 존재를 간접적으로 확인할 수 있다.

물리적으로 자기장은 운동하는 전하에 로런츠 힘을 작용한다. 이 힘의 방향은 전하의 운동 방향과 자기장의 방향에 모두 수직이며, 그 크기는 전하량, 속도, 자기장의 세기, 그리고 속도와 자기장 사이의 각도에 비례한다[2]. 따라서 정지한 전하는 자기장으로부터 아무런 힘도 받지 않는다는 점이 전기장과의 근본적인 차이점이다.

자기장은 에너지를 저장하는 매개체이기도 하다. 공간에 형성된 자기장은 단위 부피당 일정한 양의 에너지를 가지며, 이 에너지 밀도는 자기장 세기의 제곱에 비례한다. 이 저장된 에너지는 전자기 유도 현상을 통해 다시 전기 에너지로 변환될 수 있어, 발전기나 변압기와 같은 전자기기 동작의 핵심 원리가 된다.

자기장의 세기는 단위 면적을 통과하는 자기력선의 수, 즉 자기력선 밀도로 표현된다. 세기가 강할수록 자기력선이 더 조밀하게 분포한다. 자기장의 방향은 그 지점에서 자기력선의 접선 방향으로 정의되며, 일반적으로 자기력선이 나오는 쪽을 N극, 들어가는 쪽을 S극으로 설정한다.

자기장의 세기를 나타내는 물리량은 자기장 세기 H와 자속 밀도 B가 있다. 자속 밀도 B는 매질의 영향을 받는 반면, 자기장 세기 H는 자화를 일으키는 원천 전류만을 고려한다. 국제 단위계(SI)에서 자속 밀도 B의 단위는 테슬라(T)이며, 가우스(G)는 CGS 단위계에서 주로 사용된다. 1 T는 10,000 G에 해당한다.

자기장은 벡터장이므로 공간 내 모든 점에서 크기와 방향을 동시에 가진다. 방향은 일반적으로 그 점에 놓은 작은 시험 자석의 N극이 가리키는 방향으로 결정된다. 자기장의 방향과 세기를 한눈에 파악하기 위해 자기력선이 널리 활용된다.

자기력선은 자기장의 방향과 세기를 시각적으로 표현하기 위해 도입된 가상의 선이다. 이 선은 자기장 내에서 자기 북극이 이동하는 경로를 나타내며, 임의의 점에서의 접선 방향이 그 점에서의 자기장 방향과 일치한다.

자기력선을 시각화하는 가장 일반적인 방법은 철가루 실험이다. 평평한 판 위에 영구자석을 놓고 그 주위에 미세한 철가루를 뿌리면, 철가루 입자들이 자화되어 자기장의 방향을 따라 배열된다. 이렇게 형성된 패턴이 바로 자기력선을 보여주는 모습이다. 철가루 패턴은 자기장이 강한 곳에서는 선들이 밀집되어 나타나고, 약한 곳에서는 성기게 나타난다.

이러한 시각화 기법은 자기장이 눈에 보이지 않는 추상적인 개념임에도 불구하고, 그 공간적 분포와 특성을 이해하는 데 결정적인 도움을 준다. 특히 전자석이나 복잡한 코일 구조 주변의 자기장을 분석할 때 컴퓨터 시뮬레이션은 강력한 도구가 된다.

자기력선의 밀도는 그 지점의 자기장 세기에 비례한다. 즉, 자기력선이 빽빽하게 모여 있는 영역은 자기장이 강한 반면, 자기력선이 듬성듬성한 영역은 자기장이 약하다. 이는 전기장을 나타내는 전기력선의 성질과 유사하다.

자기력선의 방향은 그 지점에서 자기장의 방향을 가리킨다. 일반적으로 자기력선은 자기 북극에서 나와 자기 남극으로 들어가는 것으로 정의된다. 그러나 실제로 자기력선은 폐곡선을 이루며, 막대자석 내부에서도 자기력선은 남극에서 북극으로 이어진다[3].

자기력선의 밀도와 방향을 통해 자기장의 공간적 분포를 직관적으로 이해할 수 있다. 예를 들어, 막대자석 주변에서는 극(pole) 근처에서 자기력선이 가장 조밀하게 분포하여 자기장이 가장 강함을 알 수 있다. 반면, 두 개의 막대자석을 같은 극끼리 마주보게 하면, 중간 지점에서 자기력선이 서로 밀려나 밀도가 낮아지는 영역이 생기는데, 이는 상쇄되는 약한 자기장 영역에 해당한다.

전류가 흐르는 도선 주변에는 자기장이 형성된다. 이 현상은 한스 크리스티안 외르스테드에 의해 1820년 발견되었으며, 전기와 자기가 서로 밀접하게 연관되어 있음을 보여주는 중요한 발견이었다[4].

직선 도선에 전류가 흐를 때 생성되는 자기장의 방향은 오른손 법칙으로 결정된다. 오른손으로 도선을 감싸쥐었을 때, 엄지손가락이 전류의 방향을 가리키면 나머지 네 손가락이 감기는 방향이 자기장의 방향이 된다. 이 자기장의 세기는 도선으로부터의 거리에 반비례하며, 전류의 세기에 비례한다.

코일에 전류를 흘릴 경우, 각각의 도선이 만드는 자기장이 중첩되어 보다 강력하고 집중된 자기장이 생성된다. 특히 솔레노이드라고 불리는 원통형 코일은 그 내부에 균일한 자기장을 형성한다. 솔레노이드의 자기장 방향도 오른손 법칙을 적용하여 판단할 수 있는데, 이 경우 코일을 오른손으로 감쌀 때 네 손가락이 전류의 방향을 가리키면 펴진 엄지손가락이 자기장의 방향(코일 내부의 N극 방향)을 가리킨다.

이 원리는 전자석의 기초가 되며, 전류의 세기와 코일의 감은 수를 조절함으로써 자기장의 세기를 자유롭게 제어할 수 있게 한다.

영구자석은 외부에서 전류를 공급받지 않아도 스스로 자기장을 생성하고 유지하는 물체이다. 이 현상은 물질 내부의 미시적인 원자 또는 분자 수준에서 발생하는 자기 쌍극자 배열에 기인한다. 각 원자는 전자의 궤도 운동과 스핀에 의해 작은 자기 모멘트를 가지며, 이들이 정렬되어 강한 합성 자기 모멘트를 형성할 때 물질은 자성을 띠게 된다. 영구자석에서는 이러한 자기 쌍극자들이 외부 자기장 없이도 특정 방향으로 정렬된 상태를 유지한다.

영구자석의 자기장은 일반적으로 자기력선으로 표현되며, 자석의 자기 북극에서 나와 자기 남극으로 들어가는 형태를 가진다. 자석 내부에서 자기력선은 남극에서 북극으로 이어져 폐곡선을 형성한다. 이 자기장의 세기는 자석의 재료, 크기, 형태에 따라 달라지며, 자석의 끝부분인 극 근처에서 가장 강하다. 막대자석의 경우, 자기장은 극에서 멀어질수록 급격히 약해지는 특성을 보인다.

영구자석을 반으로 자르더라도 각 조각은 다시 독립적인 북극과 남극을 가진 완전한 자석이 된다. 이는 자석의 기본 단위가 자기 영역으로, 각 영역 내부의 원자 자석들이 이미 정렬되어 있기 때문이다. 영구자석은 강자성체 물질, 예를 들어 철, 니켈, 코발트 또는 네오디뮴과 같은 희토류 원소의 합금으로 만들어지며, 제조 과정에서 강한 외부 자기장을 가해 자기 영역들의 정렬을 고정시킨다.

자기장의 세기를 나타내는 국제단위계(SI 단위) 단위는 테슬라(기호: T)이다. 1 테슬라는 1 미터 길이의 도선에 1 암페어의 전류가 흐를 때 1 뉴턴의 힘을 받는 자기장의 세기로 정의된다[6]. 이 단위는 20세기의 발명가이자 물리학자인 니콜라 테슬라의 이름을 따서 명명되었다.

보다 작은 자기장을 표현할 때는 역사적으로 널리 사용된 가우스(기호: G) 단위가 여전히 쓰인다. 가우스는 CGS 단위계에서의 자기장 단위이며, 독일의 수학자이자 물리학자인 카를 프리드리히 가우스의 이름에서 유래했다. 두 단위 사이의 환산 관계는 다음과 같다.

일상적으로 접하는 자기장의 크기는 대부분 테슬라보다 훨씬 작다. 예를 들어, 지구 자기장의 세기는 약 25에서 65 마이크로테슬라(µT), 즉 0.25에서 0.65 가우스 수준이다. 반면, 병원의 MRI(자기 공명 영상) 장비는 1.5에서 3 테슬라, 연구용 초전도 자석은 10 테슬라 이상의 강한 자기장을 생성한다.

자기장의 세기와 방향을 측정하는 장비를 자기력계라고 부른다. 가장 간단한 형태의 자기력계는 나침반이다. 나침반의 자침은 지구 자기장의 방향에 정렬하여 방향을 가리키지만, 주변의 국소적 자기장 세기에 민감하게 반응하기도 한다.

보다 정량적인 측정을 위해 다양한 원리가 활용된다. 홀 효과를 이용한 홀 프로브는 반도체 판에 전류를 흘리고 수직 방향의 자기장에 의해 발생하는 전압을 측정하여 자기장 세기를 구한다. 이 방식은 넓은 범위의 자기장을 측정할 수 있고 응답 속도가 빠르다. 또 다른 방식으로는 검류계가 있다. 코일 내부에 영구자석을 배치하거나, 영구자석 주위에 코일을 배치하여 자기장에 의해 발생하는 전류나 토크를 측정하는 원리이다.

고감도 측정이 필요한 경우 SQUID(초전도 양자 간섭 장치)가 사용된다. SQUID는 초전도 루프에 포함된 양자화된 자속의 변화를 측정하여 극히 미약한 자기장까지 검출할 수 있다. 이는 뇌의 활동에서 발생하는 미세한 자기장을 측정하는 뇌자도나 지질학 연구에 활용된다.

전류가 흐르는 코일이나 영구자석이 생성하는 자기장은 다양한 전자기기의 핵심 작동 원리로 활용된다. 전동기와 발전기는 로렌츠 힘과 전자기 유도 현상을 이용하여 각각 전기 에너지를 기계적 에너지로, 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 스피커와 마이크 역시 음향 신호와 전기 신호 간의 변환 과정에서 자기장과 전류의 상호작용을 이용한다.

정보 저장 및 처리 장치에서도 자기장은 결정적 역할을 한다. 하드 디스크 드라이브는 자성 물질 코팅된 플래터의 미세한 영역을 자화시켜 디지털 데이터(0과 1)를 저장한다. 랜덤 액세스 메모리의 한 종류인 MRAM[7]은 전자의 스핀과 관련된 자기저항 효과를 이용하여 정보를 기록한다.

일상생활에서 흔히 접하는 장치들도 자기장을 바탕으로 작동한다. 교류 전류를 이용하는 변압기는 1차 코일과 2차 코일 사이의 자기 유도를 통해 전압을 변환한다. 전자레인지는 마그네트론이라는 부품이 강력한 고주파 자기장을 생성하여 물 분자를 진동시켜 열을 발생시킨다. 또한, 무선 충전 기술은 두 코일 사이의 자기 공명 또는 전자기 유도를 통해 에너지를 전송한다.

자기장은 현대 의료 영상 기술에서 핵심적인 역할을 한다. 특히 자기 공명 영상(MRI)은 강력한 자기장과 라디오파를 이용하여 인체 내부의 단면 영상을 얻는 비침습적 진단 기법이다. MRI 장비는 환자를 균일한 정자기장 내부에 위치시킨 후, 특정 주파수의 라디오파를 쏘아 수소 원자핵의 스핀을 공명시킨다. 이 공명 신호를 정밀하게 측정하고 컴퓨터로 재구성하여 뇌, 관절, 내부 장기 등의 해부학적 구조를 고해상도로 보여준다. 이 기술은 방사선을 사용하지 않아 안전성이 높으며, 연조직의 대비도가 우수하다는 장점이 있다.

MRI 외에도 자기장을 응용한 의료 기술은 다양하다. 자기 뇌파도(MEG)는 뇌의 신경 세포 활동에서 발생하는 미세한 자기장 변화를 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)로 측정하여 뇌 기능을 매핑한다. 또한, 자기 나침반의 원리를 활용한 자기 나침반 내시경은 체내에 투입한 캡슐의 위치와 방향을 외부의 자기장으로 제어하고 추적하는 데 사용된다. 치료 분야에서는 경두개 자기 자극(TMS)이 뇌의 특정 부위에 고강도 펄스 자기장을 쏘아 신경 세포를 자극함으로써 우울증 등의 질환을 치료하는 방법으로 연구되고 있다.

이러한 기술들의 발전은 초전도 자석, 정밀 센서, 신호 처리 알고리즘의 진보와 밀접하게 연관되어 있다. 의료 영상 기술에서 자기장의 응용은 질병의 조기 진단과 정밀 치료를 가능하게 하며, 계속해서 그 영역을 확장하고 있다.

지구 자기권은 태양에서 방출되는 고에너지 태양풍과 우주선으로부터 지구 생명체를 보호하는 보호막 역할을 한다. 태양풍은 대부분 전하를 띤 입자들로 구성되어 있으며, 지구 자기장은 이 입자들을 포착하여 지구 대기 상층부로 유도한다. 포착된 입자들은 주로 지구의 극지방 근처에서 대기 중의 분자와 충돌하며, 이 과정에서 에너지를 빛의 형태로 방출하는데, 이를 오로라 현상이라고 한다.

지구 자기권은 태양풍의 직접적인 충격을 막아 대기를 우주 공간으로 날아가게 되는 것을 방지한다. 만약 자기권이 존재하지 않는다면, 태양풍이 대기를 점차적으로 침식하여 지구의 대기압이 낮아지고, 지표면이 유해한 우주 방사선에 직접 노출될 것이다. 이는 현재의 생명체가 살아가기에 매우 척박한 환경을 초래할 것이다.

자기권의 구조는 태양풍의 압력과 지구 자기장의 압력이 평형을 이루는 지점인 자기권계면으로 정의된다. 태양풍이 강할 때는 자기권계면이 지구 쪽으로 압축되고, 약할 때는 반대 방향으로 확장된다. 자기권 내부에는 고에너지 입자들이 갇혀 있는 반앨런대와 같은 영역도 존재한다.

지구의 자기 북극은 나침반의 N극이 가리키는 지점을 의미한다. 이는 지리적 북극점과 일치하지 않으며, 약 1,000km 정도 떨어져 있다[8]. 자기 북극은 사실 물리적으로는 S극의 성질을 가지므로, 나침반의 N극이 끌려가는 곳이다.

자기 북극의 위치는 고정되어 있지 않고 시간에 따라 이동한다. 관측 기록에 따르면 연간 약 40~50km의 속도로 북서쪽 방향으로 이동하고 있다. 이는 지구 외핵 내부의 액체 철과 니켈의 대류 운동에 의해 생성되는 지구 자기장의 변화 때문이다.

이러한 불일치로 인해 항해나 지도 사용 시 자기 편각을 고려해야 한다. 자기 편각은 지리적 북극 방향과 자기적 북극 방향 사이의 각도 차이를 말하며, 지역과 시기에 따라 다른 값을 가진다. 정밀한 방위 측정이 필요한 모든 분야에서는 이 보정이 필수적이다.

앙페르의 법칙은 전류와 그 주변에 생기는 자기장 사이의 관계를 설명하는 전자기학의 기본 법칙이다. 이 법칙은 1820년대 프랑스의 물리학자 앙드레마리 앙페르에 의해 실험적으로 발견되었다[10].

앙페르의 법칙은 간단히 말해, 도선을 흐르는 전류가 그 주위에 원형의 자기장을 생성한다는 사실을 정량적으로 나타낸다. 법칙의 핵심은 '폐곡선을 따라 자기장의 선적분은 그 곡선이 감싸는 영역을 통과하는 총 전류에 비례한다'는 것이다. 수학적으로는 ∮ B · dl = μ₀ I 로 표현되며, 여기서 μ₀는 진공의 투자율 상수이고 I는 폐곡선을 관통하는 총 전류의 세기이다.

이 법칙은 직선 도선, 원형 도선, 솔레노이드 등 다양한 도선 형태 주변의 자기장을 계산하는 데 널리 사용된다. 예를 들어, 무한히 긴 직선 도선에서 거리 r만큼 떨어진 지점의 자기장 세기 B는 B = (μ₀ I) / (2πr) 이라는 잘 알려진 공식으로 유도된다.

앙페르의 법칙은 후에 제임스 클러크 맥스웰에 의해 확장되어 변위 전류의 개념이 추가되었으며, 이는 맥스웰 방정식의 네 가지 핵심 방정식 중 하나로 통합되었다. 이 확장은 전기장의 변화도 자기장을 생성할 수 있음을 보여주어, 전자기파의 존재를 예측하는 이론적 토대를 마련했다.

맥스웬 방정식은 전기와 자기를 통합적으로 설명하는 네 개의 근본적인 방정식으로, 전자기학의 기초를 이룬다. 이 방정식들은 19세기 제임스 클러크 맥스웰에 의해 정리되었으며, 전기장과 자기장이 어떻게 생성되고 상호작용하는지, 그리고 전자기파가 어떻게 전파되는지를 수학적으로 기술한다.

네 개의 방정식은 각각 다음과 같은 물리적 의미를 지닌다.

특히, 앙페르의 법칙에 '변위 전류' 항을 추가한 앙페르-맥스웰 법칙은 맥스웰의 가장 중요한 공헬이다. 이 수정을 통해 방정식은 전하 보존 법칙과 일관성을 유지하게 되었고, 진공에서도 전기장의 변화가 자기장을 만들어낼 수 있음을 예측했다. 이로부터 전기장과 자기장의 파동 방정식이 유도되었으며, 그 파동의 속도가 빛의 속도와 일치함을 확인함으로써 빛이 전자기파임을 증명했다[11]. 맥스웰 방정식은 고전 전자기학을 완성했을 뿐만 아니라, 상대성 이론과 양자 전기역학의 발전에도 토대를 제공했다.