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제 3 장 기와 자기

우리는 가정, 공장, 학교, 등 어디에서나 기를 사용하지 않는 곳이 없으며, 기 없이는 하루도

살아갈 수 없을 만큼 기의 혜택을 받으면서 살고 있습니다. 기가 없는 세상을 상상해 본

이 있는지요? 기는 여러 가지 형태로 우리 주변에 존재하고 있습니다. 기를 제어해서 만들

어 낸 수많은 발명품으로 우리는 편리한 생활을 하고 있는데, 밤을 밝히는 구에서부터 TV, 컴

퓨터에 이르기까지 그 종류가 수없이 많습니다. 오늘날과 같은 과학 기술 시 에는 기와 자기

의 기본 원리가 인류의 번 을 해 어떻게 활용되어 왔는지를 이해할 수 있어야 합니다. 이 장

에서는 기와 자기에 해 살펴보고 이들 사이에는 어떤 계가 있는지 알아 시다.

1. 기

여름철 밤하늘에 날아다니는 반딧불을 본 이 있지요? 옛날 어떤 선비가 여름밤에 반딧불을

여러 마리 잡아서 그 빛으로 공부를 했다는 뜻의 형설지공(螢雪之功)이란 말이 있습니다. 그러나

오늘날에는 밤에도 낮이나 다름없이 활동할 수 있는데, 무엇 때문일까요?

(1) 류

그림 3-1과 같이 선풍기를 틀거나 형 등을

켜려면 스 치를 켜야 합니다. 이처럼 스 치

를 켜면 왜 형 등에 불이 들어오고 선풍기가

돌아갈까요? 이것은 스 치로 끊어져 있는 도

선을 연결하여 류가 흐르기 때문입니다.

① 기력과 하

류가 무어인지 이해하려면 먼 하가 무엇인지를 알아야 합니다. 하는 물체가 기 성

질을 갖게 하는 원인이 되는 성질입니다. 여기서 주의할 것은 하는 물질이 아니라 성질이라는

것입니다

하에는 양(＋) 하와 음 하(－) 두 종류가 있어요. 1900년 에 러

더퍼드(Rutherford, E. L.)와 보어(Bohr, N.)가 제안한 간단한 원자 모

형은 그림 3-2와 같이 양 하(＋)를 띠고 있는 원자핵이 음 하(－)를

띠고 있는 자들에 의해 둘러싸여 있는 모형입니다. 마치 태양이 행

성들을 궤도 운동하게 하는 것과 같이 원자핵 속에 있는 양 하(＋)를

띤 양성자들이 자를 궤도 운동을 하게 합니다.

자

양성자 성자

그림 3-2 헬륨의 원자모형

그림 3-1 기 생활용품

TV 선풍기 형 등

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원자가 외부의 자극에 의해 (＋) 는 (－) 하를 띠게 되면 기 상이 일어나게 되는데

이 게 물체가 하는 띠게 되는 상을 이라고 합니다. 그리고 (＋), (－) 하의 양을 하

량이라고 합니다. 하량에는 한 가지 특징이 있는데 자 한 개가 가지는 하량이 가장 작은

갑이며, 자연에는 이 값의 정수배의 하량만 존재합니다. 이것은 하량의 기본값이며, 이 기본

인 하량을 기본 하라고 합니다. 기본 하의 값은 e = 1/60×10- 19 C입니다. 여기서 단

C는 하량의 단 이며 ‘쿨롬’이라고 읽습니다.

두 종류의 하 사이에는 서로 끌거나 미는 힘이 작용하는데, 이 힘을 기력이라고 합니다.

두 하 사이의 기 상에는 다음과 같은 규칙이 있습니다.

하를 띠고 있는 두 물체 사이에 작용하는 기력 F는 두 물체가 가진 하량 q 1, q 2

의

곱에 비례하고 두 물체 사이의 거리 r의 제곱에 반비례합니다. 이 계를 식으로 나타내면 다음

과 같습니다.

전기력 =전하량의 곱

거리 2, F = k

q 1× q 2

r 2

이것을 쿨롱의 법칙이라고 하며, k는 비례 상수로 그 값은 k = 9× 0 9 N⋅m2/C 2입니다.

자의 하는 양성자의 하와 어떻게 다른가요?

② 류

하는 기 성질을 갖게 하는 원인이라고 하 지요? 하를 운반하는 입자가 자입니

다. 도선은 구리와 같은 속으로 만드는데, 속에는 핵에 구속되지 않고 자유롭게 돌아다

니는 자들이 많이 있습니다. 이들 자를 자유 자라고 하지요.

그림 3-3의 와 같이

스 치가 열려 있으면

자유 자들은 속 원

자들과 충돌하면서 멋

로 운동하기 때문에

평균 으로 이동하지

않습니다. 그러나 그림

와 같이 스 치를 닫

아서 도체에 압을 걸

어주면 무질서하게 운

“두 같은 종류의 하는 서로 고, 다른 종류의 하는 서로 당긴다”

그림 3-3 회로에 흐르는 류

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동하던 자유 자들은 도선을 따라 지의 (＋)극을 향해 질서 있게 이동하게 됩니다. 이와 같

이 자가 이동하여 하가 흐르게 되는데 이와 같은 하의 흐름을 류라고 합니다.

속 내에서 자가 이동하기 때문에 류가 흐르게 된다는 것을 과거에는 알지 못하 기 때

문에 지의 극을 기 으로 하여 지의 (＋)극에서 (－)극으로 류가 흐른다고 정하 습니다.

실제로 지의 (＋)극에서 (－)극으로 이동하는 것은 자가 아니라 양 하입니다. 재에도 이러

한 습에 따라 류의 방향을 양 하의 이동 방향으로 정하고 있어요. 따라서 류의 방향은

자의 이동 방향과는 반 입니다.

: 제 2장에서 공부한 일과 에 지의 계를 생각해 볼까요? 물체를 어떤 높이로 들어

올리려면 그 물체에 일을 해 주어야 하며, 그 물체는 받은 일의 양만큼 력에 의한 치 에 지

를 갖게 된다는 것을 알았지요? 이와 비슷하게 하를 띠고 있는 체는 기장 안에서 치

에 따라 다른 기 치 에 지를 가질 수 있어요. 이것을 간단히 기 에 지라고도 합니다.

물체를 들어올리기 해 지구의 력장에 해 일을 해 것처럼 기장에 해 체를 옮길

때에도 체에 일을 해주어야 합니다.

만일, 두 개의 하를 려면 두 배의 일을 해야 하겠지요? 같은 곳에 두 개의 하가 있으면

한 개의 하가 있을 때보다 두 배의 기 치 에 지를 갖게 됩니다. 물론 하가 세 개이면

세 배의 기 에 지를 갖게 됩니다. 이처럼 하들의 체 기 에 지를 생각하기보다는 단

하가 갖는 기 에 지를 생각하는 것이 더 편리합니다. 단 하당 기 에 지는 체의

기 에 지를 체의 하량으로 나 면 얻을 수 있는데, 단 하당 기 에 지를 라고 합

니다.

전위 =전기 에너지전하

의 단 는 볼트(V)를 사용합니다. 이것은 이탈리아 물리학자인 볼트(Alexandro Volt)

의 이름에서 딴 것입니다. 기 에 지의 단 는 (J)이고 하의 단 는 쿨롬(C)이므로

의 단 는 다음과 같습니다.

1볼트 = 1줄쿨롬 , 1V = 1

JC

의 단 를 볼트로 나타내기 때문에 압이라고 부르기도 한다는 것을 기억해 두기 바

랍니다. 와 압을 그냥 혼용해서 사용하는 경우도 많습니다.

류의 세기 : 류의 흐름을 물의 흐름과 비유하면 이해하기가 쉽습니다. 물은 높은 곳에

서 낮은 흐르지요? 류는 가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다.

수도꼭지를 약간만 열어 놓은 경우와 완 히 열어 놓은 경우에, 수도꼭지에서 나오는 물의 세기

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는 어떤 경우가 더 셀까요? 물의 세기는 시간당 수도꼭지에서

나오는 물의 양을 비교하면 쉽게 알 수 있어요. 그림 3-4에서

구슬이 같은 시간 동안에 모두 빠져 나온다면 구슬이 수도꼭지

를 흘러나오는 세기는 B가 A의 10배라는 것을 알 수 있습니

다. 이와 같이 류의 세기는 단 시간에 도체의 단면을 지나

가는 하량으로 나타내면 됩니다. 만일 하량 Q(C)가 시간

t(s) 동안에 도선의 단면을 통과하 다면 류의 세기 I는 다

음과 같이 나타낼 수 있습니다.

전류의 세기 =전하량시간 , I=

Qt

류의 단 는 암페어 (A)를 사용합니다. 1 A는 1 동안

에 1 C의 하량이 통과할 때의 류의 세기입니다. 즉 1A = 1C/s을 말합니다. 실제로 많은

자 제품들의 경우는 은 양의 류가 흐르므로 이런 은 양의 류를 나타낼 때에는 리암

페어 (mA)나 마이크로암페어 (μA)를 사용하는데 1mA = 10- 3A , 1 μA = 10- 6A입니다.

기 에 지와 의 차이를 설명해 볼까요?

전류의 세기와 감전 효과

전 류(A) 효 과

0.001 전기를 느낄 수 있다.

0.005 고통스럽다

0.010 무의식적으로 근육이 수축된다.(경련)

0.015 근육을 통제할 수 없다.(마비)

0.070 심장을 통과하면 파열될 수 있고, 1초

이상 지속되면 사망할 수도 있다.

생활 속의물리 기 감

여름철 농 에서 부주의로 인해 감 사고가 자주 발생하는 것을 볼 수 있다. 감 은 사람의 몸

을 따라 흐르는 류에 의해 근육이나 심장 등의 내부 기 이 손상을 입는 것을 말한다. 감 에

의한 피해는 우리 몸에 흐르는 류의 양에 따라 달라진다. 같은 압에 감 되더라도 피해 정도

는 원이 교류인가 직류인가, 그리고 인체에 류가 흐르는 경로나 피부의 건조 상태에 따라서도

달라진다.

류는 세 가지 유형으로 우리 몸에 상처나 고통을 수 있다. 첫째, 류는 우리 몸을 아주

뜨겁게 하여 태워 버릴 수도 있다. 둘째, 신경계와 심장의 기능을 괴할 수 있다. 셋째, 근육의

경련을 일으키게 할 수도 있다. 교류의 경우, 인체에 흐르는 류의 세기가 20mA 이상이면 화상

을 입게 되고, 100mA 이상이면 심장이 경련을 일으키게 되어 치명 인 험을 가져올 수 있다.

그림 3-4 구슬의 흐름

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(2) 압과 류의 계

속 막 의 양쪽 끝에 온도차가 있으면 온도가 높은 쪽에서

낮은 쪽으로 열이 흐르며, 양쪽 끝의 온도가 같아지면 열의 흐

름이 멈추게 되겠지요? 그림 3-5와 같이 물이 들어 있는 두

개의 풍선을 빨 로 연결할 때, 양쪽 풍선의 물의 높이가 같으

면 물이 어느 쪽으로도 흐르지 않습니다. 그러나 어느 한쪽 풍

선을 손으로 르면 다른 쪽 풍선으로 물이 이동합니다. 이것

은 손으로 러 쪽의 수 가 낮아지면서 압력차로 물이 려

서 다른 쪽 풍선으로 넘어 가게 되는 것입니다.

이처럼 빨 를 기 으로 볼 때 물이 들어 있는 양쪽 풍선에 압력의 차이가 있으면 물이 흐르게

된다고 생각할 수 있습니다.

압 : 그러면 속 도선 속에서 류가 흐르는 것은 무엇 때문일까요?

속 도선 속의 자유 자들이 이동하기 해서는 물의 압력과 같은 것이 필요한데, 그것은 다

름 아닌 의 차 즉, 차입니다. 이것을 다른 말로 압이라고 합니다. 따라서 속 도선에

류가 흐를 때에는 양 끝에 압이 있다고 생각하면 됩니다. 즉, 압은 류를 흐르게 하는

능력이라고 생각할 수 있습니다. 압의 단 로는 볼트 (V)를 사용합니다.

원 : 속 도체 양 끝에 차가 없으면 류가 흐르지 않습니다. 그러면 류를 계속 흐

르게 하려면 어떻게 하면 될까요?

그림 3-6의 와 같은 연통 에서 물은 수

가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐르게 되며, 두

의 수 가 같아지면 물이 흐르지 않게 됩니다.

따라서 물을 계속 흐르게 하려면 두 의 수

의 차이를 계속 유지시켜주어야 하겠지요? 그

게 하려면 그림 와 같이 연통 에 펌 를 달

아 물을 계속 퍼 올려서 수 의 차이를 유지시

키면 됩니다.

이처럼 물이 계속 흐르게 하는 것이 펌 인 것처럼 기 회로에서 차를 유지시켜 주는 것

을 원이라고 합니다. 건 지나 자동차 배터리 는 발 기 등이 원에 속합니다.

류와 압의 계 : 그림 3-7과 같이 일정한 크기의 구멍이 뚫린 물통에 물을 넣으면 구

멍을 통해 물이 밖으로 흘러나오겠지요? 물통 속 수면의 높이가 높을수록 물의 압력이 커지므로

구멍을 통해 나오는 물 기의 세기가 더 강해지는 것을 볼 수 있습니다.

그림 3-5 압력과 물의 흐름

그림 3-6 압과 수압의 비교

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앞에서 류와 압을 설명할 때 물통 속의 수면의

높이를 압으로, 구멍을 통해 나오는 물 기의 세기는

류로 비유하 지요? 그러면 이들 두 물리량 압과

류 사이에는 어떤 계가 있을까요?

그림 3-8의 와 같이 니크롬선과 지, 그리고 스 치

를 연결하고 류계와 압계를 연결합니다. 그리고

지의 개수를 늘려가면서 니크롬선에 흐르는 류의 세

기를 측정합니다.

굵기와 길이가 다른 니크롬선으로 같은 실험을 반복하고 압과 류의 계를 그래 로 나타

내면 그림의 와 같은 그래 를 얻게 됩니다. 이 그래 에서 니크롬선에 흐르는 류 I는 니크

롬선의 양 끝에 걸린 압 V에 비례한다는 것을 알 수 있습니다. 이 계를 식으로 나타내면

다음과 같습니다.

I= kV

여기서 비례 상수 k는 그래 의 기울기인데, 이것은

회로에 흐르는 류의 흐름을 얼마나 방해하 는지 그

정도를 나타내는 것입니다.

이 값은 회로에 연결된 도체의 재질과 형태에 따라

다릅니다. 도체의 재질과 형태가 다르면 압과 류

계 그래 의 기울기가 달라지지만, 이 때에도 역시 류

는 압에 비례합니다. 그리고 같은 재질일 경우에는 굵

기와 길이에 따라 달라집니다. 이 식에서 비례 상수 k

를 1R

로 놓으면

I=VR

, 는 V= IR

이 됩니다.

이러한 류와 압의 계를 옴의 법칙이라고 합니다. 여기서 R은 그 값이 클수록 류가

흐르기 어렵다는 것을 의미합니다. 즉, R은 류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내며, 기

항 는 항이라고 합니다.

항의 단 는 옴(Ω)을 사용합니다. 옴은 독일의 물리학자 옴(Ohm. G. S.)의 이름을 기념하기

해 따온 것이지요. 1Ω은 도선 양끝에 1V의 압을 걸어 때 1A의 류가 흐르는 기 항

입니다.

그림 3-7 수압과 물 기의 세기

그림 3-8 압과 류의 계

항Ⅱ항Ⅰ

0

∙

∙

∙

∙

∙∙

∙∙

압(V)

류(A)

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류와 압, 그리고 항의 개념은 그림 3-9와 같이 지

면에서 공을 굴릴 때와 비교하면 쉽게 이해할 수 있어요.

공의 운동에 향을 주는 것에는 어떤 것들이 있을까요? 공

을 미는 힘이 클수록 공은 잘 굴러가겠지요? 그러나 지면

에 있는 돌멩이들은 공이 굴러가는 것을 방해할 것입니

다. 이와 마찬가지로 균일한 도체에 흐르는 류도 도체 양

끝에 걸린 압과 도체 내에서의 원자들과 자들의 충돌에

의한 항의 향을 받습니다.

그러면 그림 3-10에서와 같이 항 R의 양 끝 a와 b

사이에 지를 연결하여 류 I가 흐르는 경우를 생각해

볼까요?

항 R의 양 끝 a와 b의 를 각각 Va , Vb라 하면

a와 b 사이의 차는 옴의 법칙에 의하여

Va-Vb= IR

이 됩니다. 따라서 b 의 차는 Vb= Va- IR이 된

다는 것을 쉽게 알 수 있을 겁니다. 즉, b 의 는 a

보다 IR만큼 낮아진다고 말할 수 있습니다. 여기서 IR

을 항 R에 의한 압 강하라고 하며, 이것은 항 R

의 양끝에 걸린 압과 같습니다.

란 무엇인가요? 차란 무엇인지 설명해 볼까요?

압은 회로를 통해서 흐르는 것인가 아니면 회로에 걸리는 것인가요?

회로의 항이 일정할 때 항이 반으로 면 류는 어떻게 될까요? 압이 일정하고 항이

2배로 되면 류는 어떻게 될까요?

[ 제] 1. 모든 기 기구에는 그 기구의 기 특성을 나타내는 규격 인증서가 붙어있다. 집에 있는

기다리미에 220V , 10A의 규격인증서가 붙어있다면, 이 기다리미의 항은 얼마인가?.

≪풀이≫ 옴의 법칙 V= IR 에서

R=VI

=220V10A

= 22Ω

그림 3-9 압, 류, 항의 계

그림 3-10 항에 의한 압 강하

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(3) 기 항

선을 살펴보면 기가 잘 통하는 구리를 고무나 합성수지로 감아 놓은 것을 볼 수 있습니다.

이처럼 구리선에 피복을 입 놓은 이유는 무엇일까요?

① 기 항

도선에 고무나 합성수지의 피복을 입 놓는 것은 고무나 합성수지는 기를 잘 통하지 않아

서 감 을 방지 할 수 있기 때문입니다. 이처럼 물질에는 기가 잘 통하는 것도 있고 기가 잘

통하지 않는 것도 있지요. 즉, 물질마다 차이는 있지만 류가 흐르지 못하도록 방해하는 성질이

있어요. 이 게 류의 흐름을 방해하는 성질을 전기 저항 는 저항이라고 합니다.

그림 3-11과 같이 어린이들이 홈통을 통과하는 놀이를 하는 경우를 생각해 볼까요? 그림 와

같이 길이가 같은 경우에는 단면 이 크면 홈통을 통과하기가 수월하지만, 단면 이 작으면 홈통

을 통가하기가 매우 힘들 것입니다. 그림 와 같이 단면 이 같은 경우에는 길이가 짧으면

홈통을 빠져 나오기가 쉽지만, 길이가 길면 홈통을 빠져 나오는 동안 무척 힘이 들겠지요. 의

경우에서 홈통을 도선으로 생각하고 홈통을 빠져 나가는 어린이들을 자유 자로 생각해 보면,

항은 도선의 굵기와 길이에 련이 있다는 것을 쉽게 알 수 있습니다.

즉, 그림 3-12에서와 같이 같은 종류의 물질로 된 도선이라도 굵기(단면 )가 굵을수록 기

항이 작아지고, 도선의 길이가 길수록 기 항이 커지게 됩니다.

이와 같이 기 항은 물질의 종류에 따라 다르며,

같은 물질이라도 도선의 굵기와 길이에 따라 다릅니다.

일반 으로 도선의 기 항은 도선의 굵기에 비례하

고, 길이에 반비례합니다.

만일, 도선의 단면 을 A (m2 )라 하고, 도선의 길이

를 l (m) 라고 하면 도선의 기 항 R은 다음의

계가 성립합니다. 즉,

그림 3-12 도체의 길이

단면 과 항

그림 3-11 비유로 알아보는 항의 크기

(가) 길이가 같고 굵기가 다를 때 (가) 굵기가 같고 길이가 다를 때

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R = ρlA

여기서 비례 상수 ρ는 물질의 특성을 나타내는 상수이며, 그 물질의 비 항 는 고유 항

이라고 합니다. 비 항은 물질의 종류와 온도에 따라 다르며, 단 는 Ω․m를 사용합니다.

구리, 철, 알루미늄과 같이 기를 잘 통하는 물질은 비 항이 작은 물질이며, 이 게 기를

잘 통하는 물질을 도체라고 합니다. 반면에, 나무나 종이, 고무 등과 같이 기가 잘 통하지 않는

물질은 비 항이 큰 물질이며, 이 게 기가 잘 통하지 않는 물질을 연체 는 부도체라고 합

니다.

짧고 굵은 선과 가늘고 긴 선 에서 어느 선의 항이 더 클까요?

② 항의 연결

우리는 가정에서 형 등, TV, 오디오, 기 다리미 등 여러 가

지 기 기구를 동시에 사용하는 경우가 많습니다. 이때 이들

기 기구 하나가 끊어져도 다른 기 기구들은 그 로 작동합

니다. 그러나 그림 3-13과 같은 크리스마스 트리나 나무를 장식

해 놓은 장식용 구는 1개만 끊어져도 모든 구의 불이 꺼지는

것을 볼 수 있습니다. 왜 그럴까요?

아마도 그것은 기 기구들이 어떻게 연결되어 있는지에 따라 다를 것이라는 생각입니다. 기

기구들은 모두 일종의 항으로 생각할 수 있으며, 이들 항을 연결하는 방법으로는 직렬 연결

과 병렬 연결이 있습니다. 항의 연결 방법에 해 알아 시다.

항의 직렬 연결 : 그림 3-14와 같이 3개의 항 R 1, R 2

, R 3을 차례로 연결하는 것을

직렬 연결이라고 합니다. 이처럼 여러 개의 항을 직렬로 연결하면 어떤 일이 일어날까요?

그림 3-14와 같이 3개의 꼬마 구를 직렬로 연결하고 지와 연결하면 즉시 3개의 구에

류가 흘러서 불이 켜집니다. 이 때, 류는 어느 구에도 쌓이지 않고 각 구를 통해 흐르게 됩

니다. 직렬 연결에서는 한 구의 필라멘트가 끊어지면 회로가 끊기게 되어 류가 더 이상 흐르

지 못하기 때문에 구의 불이 꺼지게 됩니다.

그림 3-13 크리스마스 트리

그림 3-14 항의 직렬 연결

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그림 3-15 항의 직렬 연결

과 물 기의 비교

항의 직렬 연결을 이해하기 쉽도록 그림 3-15와 같이 물의

흐름으로 비교해 볼까요? 회로는 물길과 같은 것이지요. 그림

에서 압인 펌 와 항 R 1, R 2

, R 3인 3개의 물통이 하나

의 물길로 연결되어 있습니다. 펌 로 물을 가장 높은 곳에 있

는 물통에 물을 품어 올리면 어느 물통에나 같은 양의 물이 흐

르게 될 것입니다. 따라서 각 물통에 흐르는 물의 세기는 같겠

지요? 즉, 각 항에 흐르는 류의 세기는 모두 같습니다.

I= I 1 + I 2 + I 3

다음에 물의 높이를 생각해 볼까요? 펌 로 끌어 올려진 물은 각 물통을 하나씩 거쳐서 아래

로 내려옵니다. 이 때, 각 물통 사이의 높이는 각 항에 걸리는 압과 같다고 생각해도 됩니다.

따라서 각 물통 사이의 높이를 모두 합하면 펌 로 끌어 올린 물의 높이와 같게 됩니다. 즉, 각

항에 걸리는 압의 합은 체 압과 같습니다.

V = V 1 +V 2 + V 3

그러면 3개의 항을 직렬로 연결할 때 이것을 하나의 항으로 나타내는 방법을 알아볼까요?

각 항의 양 끝에 걸리는 압은 옴의 법칙에서 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

V = IR , V 1 = IR 1, V 2 = IR 2

, V 3 = IR 3

따라서 이들을 압의 식에 입하여 정리하면

V = IR = I (R 1 + R 2 + R 3)

∴ R = R 1 + R 2 + R 3

이 됩니다. 즉, 여려 개의 항을 직렬로 연결하면 합성 항은 각 항의 합과 같습니다. 그러므

로 합성 항은 당연히 각각의 항 어느 것보다 크다는 것을 알 수 있을 겁니다.

항 여러 개를 직렬로 연결하는 것은 그림 3-16과 같이 일렬로

길게 연결하는 것을 말합니다. 즉 ‘ 항의 길이가 길어지는 것’이라

고 생각하면 쉽게 이해가 될 겁니다. 앞에서 항의 크기는 길이에

비례한다고 하 지요? 그러니 직렬 연결에서의 합성 항은 커진다

고 생각하는 것이 당연합니다.

꼬마 구 세 개를 직렬로 연결하 을 때 한 구가 타버리면 나머지 구에 불이 들어올까요?

꼬마 구를 세 개를 직렬로 연결한 회로에 추가로 꼬마 구 한 개를 더 연결하면 각 구의 밝기

는 어떻게 될까요?

그림 3-14 직렬 연결의 효과

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그림 3-17 항의 병렬 연결

[ 제] 2. 3Ω과 6Ω의 항을 직렬로 연결하면 합성 항은 얼마인가? 그리고 직렬 연결한 것을

18V의 원에 연결하면 각 항에 걸리는 압은 얼마인가?.

≪풀이≫ (1) 합성 항은 R= R 1 + R 2 = 3Ω+ 6Ω= 9Ω

그리고 회로에 흐르는 류는 I= VR

=18V9Ω

= 2A이므로

3Ω에 걸리는 압은 V= IR= 2A×3Ω= 6V

6Ω에 걸리는 압은 V= IR= 2A×6Ω= 12V

항의 병렬 연결 : 그림 3-17의 와 같이 회로 체에 흐르는 류 I 가 한 에서 세 개

의 항 R 1, R 2

, R 3로 나뉘어져서 이들 항에 각각 I 1, I 2 , I 3의 류가 흐르도록 연결하

는 것을 병렬 연결이라고 합니다. 이와 같이 여러 개의 항을 병렬로 연결하면 어떤 일이 일어

날까요?

그림 와 같이 꼬마 구 3개를 병렬로 연결하면 직렬 연결 회로와는 달리 한 구에 흐르는

류는 다른 구를 통과하지 않습니다. 따라서 한 구의 필라멘트가 끊어져도 다른 구의 불

은 꺼지지 않는 답니다. 이처럼 병렬 연결에서는 구 한 개나 두 개만 불이 켜지거나 꺼지게 할

수 있고, 세 개 모두 불이 켜지거나 꺼지게도 할 수 있습니다. 병렬 연결에서는 구가 서로 독립

으로 작동합니다.

항의 병렬 연결도 이해하기 쉽도록 그림 3-18과 같이 물의 흐름으로 비교해 볼까요? 이 경

우에는 펌 로 물을 퍼 올리는 높이와 물통의 각 구멍에서 나오는 물의 높이가 모두 같습니다.

즉, 항의 양끝에 걸리는 압이 회로의 체 압과 같다고 볼 수 있어요.

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그림 3-18 항의 병렬 연결

과 물 기의 비교

V = V 1 =V 2 = V 3

이번에는 물의 양에 해 생각해 볼까요? 물이 물통에

서 넘치지 않는 것은 펌 로 품어 올리는 물의 양과 구멍

을 통해 나오는 물의 양이 같기 때문이라는 것을 쉽게 알

수 있습니다. 따라서 각 구멍을 통해 나오는 물의 양을 합

한 것은 펌 로 품어 올리는 양과 같겠지요? 물의 양을

류로 비유했으므로 다음의 식이 성립합니다.

I= I 1 + I 2 + I 3

그러면 3개의 항을 병렬로 연결할 때 이것을 하나의 항으로 나타내는 방법을 알아볼까요?

각 항에 흐르는 류는 옴의 법칙에서 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

I=VR

, I 1 =VR 1

, I 2 =VR 2

, I 3 =VR 3

이들을 류의 식에 입하여 정리하면

I=VR

= V ( 1R 1

+1R 2

+1R 3 )

∴ 1R

=1R 1

+1R 2

+1R 3

이 됩니다. 즉, 여려 개의 항을 직렬로 연결하면 합성 항의 역수는 각 항의 역수의 합과 같

습니다. 따라서 합성 항은 당연히 각각의 항 어느 것보다 작다는

것을 알 수 있을 겁니다.

항 여러 개를 병렬로 연결하는 것은 그림 3-19와 같이 항을

한데 묶어서 연결하는 것을 말합니다. 즉 ‘ 항의 단면 이 커지는

것’이라고 생각하면 쉽게 이해가 될 겁니다. 앞에서 항의 크기는

단면 에 반비례한다고 하 지요? 그러니 병렬 연결에서의 합성

항은 작아지는 것이 당연합니다.

꼬마 구 세 개를 병렬로 연결하 을 때 한 구가 타버리면 나머지 구에 불이 들어올까요?

꼬마 구를 세 개를 직렬로 연결한 회로에 추가로 꼬마 구

한 개를 더 연결하면 각 구의 밝기 는 어떻게 될까요?

그림과 같이 피복이 벗겨진 고압선에 새가 앉아 있다면 두

새의 운명은 방 달라지겠지요? 그 이유를 설명해 볼까요?

그림 3-14 병렬 연결의 효과

- 13 -

[ 제] 3. 3Ω과 6Ω의 항을 병렬로 연결하면 합성 항은 얼마인가? 그리고 병렬 연결한 것을

18V의 원에 연결하면 각 항에 걸리는 압은 얼마인가?.

≪풀이≫ (1) 합성 항은 1R

=1R 1

+1R 2

=1

3Ω+

16Ω

=1

2Ω

∴ R= 2Ω

그리고 회로에 흐르는 류는 I= VR

=18V2Ω

= 9A이므로

3Ω와 6Ω에 걸리는 압은 모두 같으며, V= IR= 9A×2Ω= 18V

(4) 류가 하는 일

일상생활에서 사용하는 등, TV, 다리미, 세탁기, 냉장고 등 여러 가지 기 기구에 류를 흘

리면 빛과 열을 내게 하거나 기계 인 일을 하게 할 수 있습니다. 이와 같이 기는 기 기구들

이 제 기능을 할 수 있도록 해 주는 능력을 가지고 있는데, 이런 능력을 기 에 지라고 합니다.

생활 속의 물리 가정의 기 배선을 병렬로 하는 까닭은…

일반 으로 기는 두 개의 선을 통해 가정에 공 된다.

우리는 가정에 들어온 선에 등이나 컴퓨터 등의 기

기구들을 연결하여 사용하고 있다.

그림은 가정의 기 배선을 나타낸 것이다. 가정의 기

배선은 병렬로 되어 있어서 각 기 기구에 걸리는 압이

모두 같다. 따라서 가정에서 사용하는 기 기구는 모두 같

은 압에서 사용할 수 있다.

만일, 각 기 기구마다 작동에 필요한 압이 다르다면,

각 콘센트마다 압을 달리하여 기를 공 하여야 하므로

가정의 기 배선은 매우 복잡해지고 기 기구를 사용하는

데 매우 불편할 것이다.

병렬 연결 회로에서는 한 방의 형 등 스 치를 끄더라도

다른 방의 형 등은 꺼지지 않으며, 각 콘센트에 공 되는

기가 차단되지 않으므로 다른 기 기구는 그 로 사용할

수 있다.

만일, 가정의 기 배선이 직렬로 되어 있다면 사용하고

있는 형 등 에서 하나만 고장이 나도 다른 모든 형 등이 꺼지고 각 콘센트에 공 되는 기

가 차단되어 다른 기 기구를 사용하지 못하게 될 것이다.

가정용 배선도

- 14 -

그림 3-20 직류

그림 3-21 교류

기 에 지는 기 기구가 필요로 하는 에 지로 바꾸어서 사용할 수 있답니다. 그러면 기 기

구들이 하는 일의 양은 류 압과 어떤 계가 있을까요?

① 직류와 교류

가정에서 사용하는 기스탠드, TV, 냉장고 등의 러그를 콘센트에 끼울 때 러그 단자의

좌우를 바꾸어 끼워도 이들 기구가 작동하는 데에는 아무 계가 없어요. 그러나 MP3나 휴 용

카세트 단자에 지를 끼울 때 (＋)극과 (－)극을 바꾸어 끼우면 기구가 작동하지 않는 것을 잘

알고 있을 겁니다. 가정용 기 기구나 휴 용 카세트는 모두 기를 이용하는 기구인데, 하나는

단자의 극을 맞추어야 하고, 다른 하나는 극을 맞추지 않아도 되는 이유는 무엇일까요? 그것은

두 기 기구에 흘려주는 류의 종류가 다르기 때문이지요. 류의 종류에는 직류와 교류가 있

는데, 그 특성은 각각 무엇인지 알아 시다.

직류 : 건 지는 에 볼록 나온 부분이 (＋)극이고 아래에 약간 오목하게 들어간 부분이 (－)

극입니다. 그림 3-20과 같이 꼬마 구와 건 지를 연결하면 자는 언제나 (－)극으로부터 (＋)극

으로 이동합니다. 그런데 류의 방향은 자의 이동 방향과 반 이므로 류는 (＋)극에서 (－)

극으로 흐른다는 것을 기억하기 바랍니다.

이 회로에서 류의 흐름이 시간이 지남에 따

라 어떻게 변하는지 조사해 보면 그림과 같이 시

간이 지나도 류의 세기는 변하지 않고 일정하

게 나타납니다. 이와 같이 세기와 방향이 일정한

류를 직류(DC)라고 합니다.

교류 : 가정에서 사용하는 형 등, TV, 냉장고, 세탁기와 같은 기 기구나 공장에서 사용하

는 여러 가지 기 기계들은 모두 러그를 콘센트에 꽂아서 사용합니다.

이들 기구들을 사용할 때 이용하는 기는 발

소로부터 오는 것인데 한 가지 요한 특징이

있습니다. 그림 3-21과 같이 구를 콘센트에 꽂

고 회로에 흐르는 류의 흐름이 시간에 따라 어

떻게 변하는지 조사해 보면 그림과 같이 류의

세기가 주기 으로 변하는 모습으로 나타납니다.

이와 같이 세기와 방향이 일정한 주기로 바 는

류를 교류(AC)라로 합니다.

직류와 교류의 형을 찰해 보면, 직류는 시간 축에 평행한 직선입니다. 그러나 교류는 일정

한 시간 가격으로 (＋)와 (－)로 방향이 바 면서 류의 세기도 변합니다.

- 15 -

교류에서 류의 방향이 주기 으로 변하는 횟수를 주파수라고 하며 단 는 헤르츠(Hz)를 사

용합니다. 우리 나라에서는 1 동안에 류의 방향이 60번 바 는 60Hz의 교류를 사용하고 있

습니다.

그러면 가정용 기로 굳이 교를 사용하는 이유는 무엇일까요? 직류나 교류는 기 에 지를

한 장소에서 다른 장소로 옮길 수 있습니다. 기를 생산하는 발 소는 기 에 지를 소비하는

가정이나 공장과 멀리 떨어져 있습니다. 이 게 멀리 떨어진 곳까지 기를 옮기는 일을 송전이

라고 합니다.

기 에 지를 옮기다 보면 에 지의 일부를 잃어버리게 되는데, 교류는 직류에 비하여 기

에 지의 손실이 기 때문에 먼 곳까지 기 에 지를 이동시키는데 훨씬 유리합니다. 특히 교

류는 압을 높여서 선에서 기 에 지가 열로 바 어 소비되는 것을 일 수 있기 때문에

발 소에서 송 할 때 수백 kV의 고 압으로 송 하는 것이랍니다.

주기가 60Hz인 교류의 류값이 최 가 되는 것은 1 동안에 몇 회일까요?

생활 속의 물리 휴 폰 배터리 충 기

우리가 사용하고 있는 휴 폰 배터리의 충 기는 교류

를 직류로 바꿔주는 직류 변환기가 장착되어 있다.

직류 변환기에는 220V의 압을 4.2V로 낮춰주는 변압

기와 류를 한 방향으로만 흐르도록 하는 다이오드가 들

어 있는데, 다이오드는 물이 역류하는 것을 방지해 주는

밸 와 같은 역할을 하는 작은 부품이다.

다이오드는 그림 와 같이 (＋), (－) 양쪽 방향으로 진

동하는 교류를 한 주기의 반만 통과할 수 있게 하여 그

림의 와 같이 반주기가 잘려나간 약간 거친 직류를 만

든다. 그리고 축 기를 이용하면 이와 같이 거친 직류를

그림 와 같은 연속 인 직류로 만들 수 있다. 이러한 장

치를 정류기라고 하며, 우리는 이러한 정류기를 이용한 휴

폰 배터리 충 기를 사용하는 것이다.

교류가 직류로 변환되는 모습

- 16 -

그림 3-22 구

② 류의 열작용

기 에 지는 여러 형태의 에 지로 바꾸어서 사용할 수 있습니

다. 그림 3-22와 같이 구에 류를 흘리면 항체인 필라멘트가

빨갛게 되면서 불이 켜져서 주변을 환하게 밝힙니다. 그리고 손으

로 구를 만져보면 뜨겁지요? 구에서 열이 발생했기 때문입니다.

즉, 구에서는 기 에 지가 빛에 지와 열에 지로 환된 것입

니다.

선풍기의 러그를 콘센트에 꽂으면 선풍기의 날개가 돌아가면서 바람이 일어나지요? 기

에 지가 선풍기의 날개를 돌리는 운동 에 지로 바 것입니다. 그러면 기 에 지는 모두 선

풍기의 운동 에 지로만 바 것일까요? 아닙니다. 선풍기를 오래 틀어 놓으면 모터에서 열이 많

이 나는 것을 볼 수 있습니다. 이것도 선풍기에 항이 포함되어 있기 때문이지요.

모든 기 기구를 사용할 때, 기 에 지는 기본 으로 항에 의해 열에 지로 환된다고

생각할 수 있습니다. 그러면, 기 에 지가 어떻게 열에 지로 환되는 것일까요?

그림 3-23과 같이 도체 내에는 그 도체를 이루고 있는

원자들이 빽빽하게 들어차 있을 겁니다. 이 도체의 양 끝

에 압을 걸어 주면 자유 자가 이동하면서 원자들과

부딪히면서 열이 발생하게 됩니다. 즉, 기 에 지가 열에

지로 환되는 겁니다. 이러한 류의 작용을 열작용이

라고 합니다.

니크롬선과 같이 항이 큰 물체에 류가 흐르면 열이 발생합니다. 이와 같은 상은 기다

리미, 기밥솥, 화재경보기 등 많은 기 기구에 이용되고 있지요.

그림 3-24에서 항이 R인 도선 AB에 류가 I가 흐

르고 있다면 A 의 는 B 보다 V = IR만큼 높다.

그리고 류 I가 시간 t 동안 흘 다면 그 동안 A에서

B로 흘러간 기량이 한 일은 W= VIt가 됩니다. 즉, 시

간 t 동안 소비된 기 에 지는 다음과 같습니다.

E= VIt=I2Rt=

V 2

Rt

만일 이 기 에 지가 모두 열에 지로 바 다면, 이 때 발생하는 열량은

Q=1JVIt= 0.24VIt= 0.24I

2Rt (cal)

가 됩니다. 이와 같이 기 에 지와 열량 사이의 계를 나타내는 것을 의 법칙이라고 하며,

이 때 발생한 열을 열이라고 합니다. 이 식에서 사용된 J를 열의 일당량이라고 하며, 그 값은

그림 3-23 류의 열작용

그림 3-24 기가 한 일

- 17 -

실험에 의해 다음과 같이 밝 졌습니다.

J = 4.2× 10 3 J/kcal

[ 제] 4. 항이 500Ω인 니크롬선에 0.6A의 류가 10 동안 흘 다.

(1) 니크롬선에서 소비된 기 에 지는 몇 J인가?.

(2) 이 때 발생한 열량은 몇 cal인가?

≪풀이≫ 니크롬선의 양 끝에 걸린 압은 옴의 법칙에서

V= IR= 0.6A×500Ω= 300V

(1) E= VIt= 300V× 0.6A×10 s = 1800 J

(2) 니크롬선에서 소비된 기 에 지가 모두 열에 지로 바 었다면, 열의 일당량에서

1 cal의 열량은 4.2 J의 역학 에 지에 해당하므로 발생하는 열량 Q는

Q =EJ

=1800 J

4.2 J/cal≒429 cal

③ 력과 력량

가정에서 사용하는 가 제품들은 그 종류와 크기에 따라 소비하는

기 에 지의 양이 다릅니다. 그림 3-25와 같은 냉장고나 세탁기 등

에 붙어 있는 에 지 에 지소비효율등 표를 본 이 있을 겁니다.

이런 기 기구들이 소비하는 기 에 지를 어떻게 나타낼 수 있을

까요?

기 기구들이 같은 시간 동안에 사용한 기 에 지의 양을 비교

하면 어떤 기 기구가 얼마의 기 에 지를 사용하 는지 쉽게 알

아낼 수 있을 거 요.

그러므로 류를 1 동안 흘렸을 때 류가 하는 일, 는 1 동안

공 된 기 에 지를 력이라고 하며, 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

P =Et

= VI= I 2R =V

2

R

력의 단 는 일률의 단 인 와트(W)를 사용하며, 이것은 J/s와 같습니다. 력을 나타내

는 식은 앞에서 공부한 기 에 지의 식에서 시간 t가 제외된 것이라고 생각하면 쉽게 이

해할 수 있어요.

가정에는 그림 3-26과 같은 산 력계가 벽에 부착되어 있는 것을 보았을 겁니다. 산

력계는 한 달 동안 사용한 기 에 지의 양을 숫자로 나타냅니다. 각 가정에서는 산

그림 3-25 에 지 소비

등 표

표시

- 18 -

계에 나타난 기 에 지의 양에 해당하는 기 요 을 한 달에

한번씩 낼 겁니다. 이처럼 사용한 기 에 지를 나타내는 것이

력량입니다.

력은 기 에 지를 시간으로 나 것이므로, 이것을 다르게

나타내면 기 에 지는 전력×시간으로 나타낼 수 있어요. 즉,

E= Pt

이며, 이것을 력량이라고 합니다. 그러나 력량을 나타내는 공식에 포함된 시간 단 가

(s)이기 때문에 한 달 동안 사용한 기 에 지의 양을 나타내려면 그 값이 무 커서 무

리가 있습니다. 따라서 실생활에서 사용하기에 편리한 단 가 필요하겠지요? 그래서 력량

을 나타내는 공식에 (s) 신 시간(h)를 곱한 단 를 사용하게 된 것입니다. 즉, 력량의

단 는 와트시(Wh), 킬로와트시(kWh)를 사용합니다. 1kWh는 1kW의 력을 1시간 동안

사용한 기 에 지의 양을 말합니다.

① 자기 집에서 사요하고 있는 기 기구는 어떤 것들이 있는지 알아보고, 기 기구의 소비

력은 각각 얼마인지 조사해 보세요. 이들 기 기구들을 동시에 사용한다면 총 사용 력은 얼

마인가요?

② 한국 력공사에서 보내온 기 요 납부 고지서를 보고 자기 집에서 한 달 동안 사용하는

력량이 얼마인지 알아보세요. 기 요 은 1kWh에 얼마인가요?

1200W 헤어드라이기에 있는 휴즈의 최 허용 류가 15A이라면, 이 헤어드라이기를 120V의 선

에 연결하여 사용해도 될까요? 이 선에 같은 두 의 헤어드라이기를 연결하여 동시에 사용해

도 될까요?

[ 제] 5. 압 8V, 류 0.1A에서 작동하는 자계산기에서 소요되는 력은 얼마인가? 이 계산기

를 한 시간 사용하면 얼마의 기 에 지를 사용한 것인가?

≪풀이≫ 계산기의 소요 력은 전력 = 전류×전압 이므로

P= IV = (0.1 A)× (8 V) = 0.8W

에 지는 에너지 = 전력×시간 이므로

E= Pt= (0.8 W)× (1h) = 0.8Wh

즉, 이 계산기를 한 시간 동안 사용할 때 소비되는 기 에 지는 0.0008 kWh이다.

[문제] 1. 항이 8Ω인 니크롬선을 사용한 열기가 50V의 원에 연결되어 있다. 열기에 흐르는

류의 세기와 열기의 력을 구하여라.

ꂼ ⑴ 6.25A ⑵ 312.5W

그림 3-26 산 력계

- 19 -

그림 3-28 자철석

그림 3-29 지구 자기

2. 자 기

어릴 때 자석을 가지고 흥미롭게 놀아 본 경험이 있지요? 자석

두 개를 서로 가까이 가져가면 달라붙어요. 그런데 자석 하나를

뒤집어서 가까이 가져가면 서로 어냅니다. 집에서 어머니가 얇

은 자석이 붙어 있는 작은 인형이나 고 을 냉장고 면에 붙

여 장식해 놓은 것을 보았을 겁니다.

자석은 모양과 크기가 매우 다양하며, 장난감에도 쓰이고 나침반으로도 사용되며, 기 모터와

발 기에 필수 인 부품이기도 합니다.

자기 상과 기 상은 어떻게 다를까요? 자기와 련된 류에 의한 자기장, 자기장에서

류가 흐르는 도선이 받는 힘, 그리고 자기 유도 상에 해 알아 시다.

(1) 자석에 의한 자기장

자석(magnet)이라는 말은 2000년 에 그리스의 마그네시아(magnesia) 지방에서 발견된 ‘끌어

당기는 돌’이라 불리던 바 에서 유래되었습니다. 자석끼리는 서로 힘을 작용합니다. 자석은 하

와 비슷한 성질이 있는데, 서로 하지 않고도 고 당길 수 있다는 것을 알고 있을 겁니다.

자석은 그림 3-28과 같이 쇠붙이를 끌어당기기도 하지요. 이처럼

자석에 쇠붙이가 끌려오게 되는 성질을 자성이라고 하며, 이러한

성질을 가진 물체를 자성체 는 자석이라고 하는 것입니다. 그리

고 자성이 생기는 원인을 자기라고 하는데, 아직 우리가 이해하기

엔 어려운 개념이랍니다. 자석이 쇠붙이나 다른 자석에 미치는 힘

을 자기력이라고 합니다. 자기력은 자석의 양 끝 쪽으로 갈수록 강

해지는데, 이 부분을 자극이라고 하며 자극에는 N극과 S극이 있습

니다.

막 자석의 앙을 실로 매달아 수평으로 놓으면 나침반

이 됩니다. 북쪽을 가리키는 쪽을 N극이라 하고, 남쪽을 가

리키는 쪽을 S극이라고 한답니다. 이것은 지구가 하나의 거

한 자석이기 때문이며, 그림 3-29에서와 같이 자석의 N극

이 가리키는 북쪽은 지구 자석의 S극이고, 자석의 S극이 가

리키는 남쪽은 지구 자석의 N극이랍니다. 모든 자석은 두 개

의 극을 가지고 있습니다. 즉, 자석은 N극과 S극을 가지고

있는데, 두 자극 사이의 자기 상에는 다음과 같은 규칙이

있습니다.

- 20 -

그림 3-30 자석의 분리

철가루로 나타낸 자기장

그림 3-31 자석 주 의 자기장

자기력선으로 나타낸 자기장

자극은 어떤 에서는 하와 비슷하지만, 매우

요한 차이 도 있습니다. 즉, 하는 양(＋) 하와 음

(－) 하가 분리되어 단독으로 존재할 수 있지만, 자

석의 N극과 S극은 따로 분리되어 단독으로 존재할

수 없고 언제나 으로 존재합니다. 막 자석을 그

림 3-30과 같이 계속 이등분 하여도 N극과 S극은

분리되지 않고 나 어진 조각도 역시 N극과 S극을

가진 자석이 됩니다. 자석의 N극과 S극은 동 의 양

면과도 같답니다.

나침반을 자석에 가까이 가져가면 나침반의 자침은 어느 한쪽 방향을 가리키는 것을 볼 수 있

습니다. 자석 주 에 철가루를 뿌리면 그림 3-31의 와 같이 철가루가 배열되는 것을 볼 수

있다. 이것은 자석 주 에 자기력이 미치는 공간이 생겼기 때문인데, 이처럼 자기력이 미치는 자

석 주 의 공간을 자기장이라고 합니다.

자석은 주 의 공간에 자기장을 형성하고 자기장이 형성된 공간에 작은 쇠붙이가 있으면 자석

과 쇠붙이 사이에 끌어당기는 힘이 생겨서 쇠붙이가 자석 쪽으로 끌려가게 됩니다. 그리고 자석

이 쇠붙이에 비해 훨씬 작으면 자석이 쇠붙이 쪽으로 끌려가게 되는 것이지요.

자기장의 방향은 자석 주 에 나침반을 놓았을 때 나침반 자침의 N극이 향하는 방향으로 정합

니다. 자석 근처에 나침반을 놓고 자침의 N극이 향하는 방향을 따라 조 씩 이동시키면서 그 경

“자석은 같은 극끼리는 서로 고, 다른 극끼리는 서로 당긴다”

- 21 -

로를 선으로 연결하면 그림 와 같은 곡선이 그려지는데, 이것을 자기력선이라고 합니다.

어떤 상이나 개념이든 에 보이는 것이 더 쉽게 이해가 되겠지요? 자기장은 에 보이지

않기 때문에 물리학자들이 가시 으로 자기장의 개념을 이해할 수 있도록 도입한 것이 자기력선

입니다. 자기력선은 그림의 와 같이 자석의 내부를 지나 N극에서 나와 S극으로 들어가는 폐곡

선을 이루며, 도 이서 서로 만나거나 끊어지지 않습니다. 이와 같이 자기력선이 폐곡선을 이루며

시작과 끝이 없다는 것이 자기장의 요한 성질의 하나입니다.

자기력선 의 한 에서 그은 선의 방향이 그 에서의 자기장의 방향을 나타내며, 자기력

선이 촘촘한 곳이 엉성한 곳보다 자기장이 강합니다. 따라서 자기력선이 촘촘한 정도로 그 곳에

서의 자기장이 얼마나 강한지를 나타낼 수 있습니다.

자기력선은 실제로 공간에 존재하고 있는 것이 아닙니다. 자기력선은 다만 자기장이 어떻게 공

간에 퍼져 있는지를 알려 수 있는 방법의 하나라는 것을 알아두기 바랍니다. 이러한 방법은 복

잡한 상을 쉽게 이해하는 데 많은 도움을 니다.

자속과 자속 도 : 그림 3-32에서와 같이 자기장에

수직한 단면을 지나는 자기력선의 총수를 자속 는 자기력

선속이라고 하며, 자속의 단 로는 웨버(Wb)를 사용합니다.

그리고 자기장에 수직인 단 단면 을 지나는 자속을 자

속 도라고 합니다. 즉 자속 도는 단 면 당 얼마나 많

은 수의 자기력선이 지나가느냐 하는 의미입니다. 여기서 주

의해야 할 사항은 면 과 자기력선이 서로 수직이라는 것이지

요. 자속 도는 B로 나타냅니다.

자기장에 수직한 단면을 지나는 자속을 φ라고 하면, 자속

도는 자속을 면 으로 나 값이므로 당연히 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

B=φA

따라서 자속 φ는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다. 즉,

φ = BA

자속 도 B의 단 는 Wb/m2이고, N/A⋅m를 사용하기도 하며, 이 단 를 테슬러(T)

라고도 합니다.

하와 자극의 공통 과 요한 차이 은 각각 무엇인가요?.

그림 3-32 자속과 자속 도

- 22 -

그림 3-33 자기 부상 열차

그림 3-34 직선 류에 의한 자기장과 오른나사의 법칙

(2) 류에 의한 자기장

차세 열차로 알려진 자기 부상 열차는 그림 3-33에서 보는

바와 같이 일과 열차 바퀴 사이가 약간 떠 있어서 열차가 달릴

때 진동과 소음이 고 단히 빠른 속도를 낼 수 있다고 합니

다. 이 열차는 1 동안 4000번 정도 류의 방향을 바꾸어서 자

기력의 방향을 변화시켜 추진력을 얻는다고 하네요. 류로 어떻

게 자기력의 방향을 바꿀 수 있을까요? 류에 의한 자기장의 성

질에 해 알아 시다.

① 직선 류에 의한 자기장

류가 만드는 자기장은 어떤 모양일까요? 직선 도선에 류가 흐를 때 도선 주 에 자기장을

만드는데, 그 자기장은 류의 세기, 그리고 거리와 어떤 계가 있는지 알아보기로 합시다.

움직이는 하나의 하는 자기장을 만듭니다. 마찬가지로 운동하는 수많은 하(이것이 류이

지요)도 역시 자기장을 만들지요. 철가루를 고르게 뿌린 두꺼운 지를 직선 도선이 수직하게 뚫

고 지나도록 한 다음 도선에 류를 흘려주면 그림 3-34의 와 같이 철가루가 도선을 심으로

동심원을 그리면서 일정하게 배열되는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 직선 도선에 흐르는 류가

자기장을 만들었다는 것을 말해주는 것이지요. 그리고 그림 는 철가루가 동심원을 이루면서 배

열되는 것을 자기력선으로 나타낸 것입니다.

직선 류에 의한 자기장의 방향은 그림 에서 볼 수 있는 것처럼 류의 방향을 오른 나사

가 진행하는 방향과 일치시켰을 때, 나사가 돌아가는 방향과 같습니다. 는 오른 손의 엄지손가

락을 펴고 나머지 네 손가락으로 류가 흐르는 직선 도선을 감아쥘 때, 엄지손가락의 방향이 자

기장의 방향이지요. 이것을 앙페르의 법칙, 는 오른나사의 법칙이라고 합니다. 이 법칙은 앞으

로 나올 원형 류에 의한 자기장이나 솔 노이드에 의한 자기장에서도 모두 성립됩니다. 잊어버

리지 말고 꼭 기억해 두기 바랍니다.

덴마크의 물리학자 외르스테드(Oersted, H. C.)는 류가 흐르는 직선 도선 주 에 여러 개의

- 23 -

나침반을 놓고 자침이 일정하게 정렬되는 모습을 보고 직선 류에 의한 자기장을 확인하 습니

다. 이것이 외르스테드가 학생들 앞에서 처음으로 보여 류에 의한 자기장의 상입니다.

직선 도선에 흐르는 류의 방향을 바꾸면 도선 주 에 생기는 자기장의 방향이 바 지만, 자

기력선의 모양은 바 지 않습니다. 그리고 류의 세기를 증가시키면 자기장이 강해지고, 류의

세기를 감소시키거나 도선으로 멀어질수록 자기장이 약해집니다.

1829년 랑스의 물리학자 비오(Biot, J. B.) 와 사바르(Savart, F.)는 정 한 실험을 통해 류

가 흐르는 직선 도선 주 에 생기는 자기장은 류의 세기에 비례하고, 도선으로부터의 거리에

반비례한다는 것을 밝 냈습니다. 이 계를 식으로 나타내면 다음과 같습니다.

B = kIr

여기서 비례 상수 k는 k = 2× 10- 7

N/A2이며, 이 식으로부터 자기장의 단 가 N/A⋅m

임을 알 수 있어요.

[ 제] 6. 직선 도선에서 1m 떨어진 에서의 자기장이 10- 8T라고 한다. 이 직선 도선에 흐르는

류는 몇 A인가?

≪풀이≫ B= kIr

에서

I= Brk

=(10-8 N/A⋅m)×1m

2×10-7N/A2 = 0.05A

물리학을 이끈 과학자 앙페르(Ampere, A. M. : 1775 - 1863)

랑스의 물리학자이면서 수학자, 화학자, 철학자인 앙페르는 랑스 리용

부근의 뽈 뮤라는 마을에서 태어났다. 그의 아버지는 앙페르를 어렸을 때부

터 열심히 교육시키기 시작했다. 처음에 라틴어와 그리스어를 가르쳤으나 앙

페르는 수학에 더 소질이 있었으며, 어렸을 때부터 천재 인 두각을 나타내

어 이미 12살 때에 수학과 기하학을 거의 터득하 으며 수학의 계산에 어

려움을 느끼지 않을 정도 다.

앙페르는 류와 자기장 사이의 계를 밝 내는 데 지 한 공을 세웠다. 그의 이 분야에 한

업 은 덴마크의 물리학자 외르스테드(Oersted. H. C.)의 여러 가지 발견에서 많은 향을 받았

다. 그는 1827년에 발표한 논문 ‘실험에 의한 기 역학의 수학 이론’에서 그 유명한 앙페르의

법칙, 즉 자기학의 수학 공식을 유도하 으며, 기 역학의 기 를 닦아 놓았다. 국의 물리

학자 맥스웰(J. C. Maxwell)은, 두 류 사이의 역학 작용에 한 앙페르의 수학 , 물리학

발견과 연구 업 은 과학 발달사에서 가장 빛나는 것 의 하나라고 극찬하 다.

앙페르의 한 업 을 기리기 해 그가 세상을 떠난지 60년 후에 후 과학자들은 류의

실용 단 를 그의 이름을 따서 "암페어"라고 하 다.

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그림 3-35 원형 류에 의한 자기장

② 원형 류에 의한 자기장

직선 도선을 둥 게 구부려서 류를 흘리면 그 원형 도선 주 에 생기는 자기장은 어떤 모양

일까요? 원형 도선이라고 해서 어렵게 생각할 필요는 없어요. 원형 도선 주 에 생기는 자기장의

방향은 앙페르의 법칙을 사용하면 쉽게 알아낼 수 있고, 크기는 과학자들이 실험과 계산으로 구

해 놓은 자료를 이용하면 되니까요.

원형 도선에 류가 흐를 때 그 주 에 생기는 자기장도 직선 도선의 경우와 같이 원형 도선

주 의 철가루의 분포 모양을 보고 알 수 있습니다. 그림 3-35의 와 같이 두꺼운 지에 원형

도선을 끼우고 철가루를 고르게 뿌린 다음 도선에 류를 흘리면, 원의 심에 있는 철가루는 원

에 수직으로 배열됩니다. 그리고 도선에 가까이 있는 철가루는 도선을 심으로 원에 가까운 모

양으로 배열되는 자기력선이 생깁니다. 그런데 여기서는 원형 도선의 심부의 기력선에만

심을 갖기 바랍니다.

원형 류에 의한 자기장의 방향은 그림 와 같이 오른나사를 이용하여 알아낼 수 있어요.

즉, 오른나사를 류의 방향으로 회 시킬 때, 나사가 진행하는 방향이 원형 도선 심에서의 자

기장의 방향입니다. 한, 그림 와 같이 오른손의 엄지손가락이 류의 방향을 가리키게 하면

서 도선을 감아쥐면, 나머지 네 손가락이 감기는 방향이 원형 도선 심에서의 자기장의 방향이

됩니다.

원형 도선 심에서의 자기장은 원형 도선에 흐르는 류의 세기에 비례하고, 원형 도선의 반

지름에 반비례합니다. 이 계를 식으로 나타내면 다음과 같아요.

B = k'Ir

이 식은 직선 류에 의한 자기장에 한 식과 상당히 비슷하지요? 그런데 이 식에서의 r은

도선으로부터의 거리가 아니라 원형 도선의 반지름이라는 것에 유의해야 합니다.

의 식에서 비례 상수 k'는 직선 류에 의한 자기장의 비례 상수 k에 정확히 π배를 한 값

인 k' = 2π× 10- 7N/A 2입니다.

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그림 3-36 솔 노이드에 의한 자기장

[ 제] 7. 반지름이 1m인 원형 도선에 5A의 류가 흐를 때, 원형 도선 심에서의 자기장은 얼

마인가?

≪풀이≫ B = k'Ir

에서

B= 2π×10-7N/A2×5A1m

= 3.14×10-6T

③ 솔 노이드가 만드는 자기장

원통에 도선을 여러 번 감아 놓은 것을 솔 노이드라고 합니다. 그러면 솔 노이드에 류가

흐를 때 생기는 자기장은 어떤 모양일까요?

솔 노이드는 원형 도선 여러 개를 연속 으로 겹쳐 놓은 것과 같습니다. 그림 3-36의 와

같이 솔 노이드 간에 두꺼운 지를 끼우고 철가루를 고르게 뿌린 후에 류를 흘리면 솔

노이드 내부에 있는 철가루가 솔 노이드의 축에 나란하게 같은 간격으로 배열되는 것을 볼 수

있습니다. 이처럼 솔 노이드 내부의 자기장은 솔 노이드의 축에 나란하고 균일하다는 것을 알

수 있습니다.

그림 는 솔 노이드가 만드는 자기장을 나타낸 것인데, 자기력선의 모양이 마치 막 자석이

만드는 자기력선의 모양과 비슷하지요? 이 경우에도 자기장의 방향을 앙페르의 법칙을 이용하여

찾을 수 있습니다. 즉, 그림 와 같이 오른손의 엄지손가락을 펴고 나머지 네 손가락으로 류의

방향을 따라 솔 노이드를 감아쥐었을 때, 엄지손가락이 가리키는 방향이 자기장의 방향이 됩니

다. 솔 노이드 내부의 자기장은 단 길이(1m)당 도선의 감은 수와 류의 세기에 비례하며 다

음 같이 나타낼 수 있습니다.

B= k''n I

여기서 비례 상수 k''는 직선 류에 의한 자기장의 비례 상수 k에 정확히 4π배를 한 값인

k' = 4π× 10- 7N/A 2입니다. 그리고 n은 단 길이당 도선의 감은 수입니다. 그런데 여기서

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그림 3-37 자석

요한 것은 직선 도선의 경우나 원형 도선의 경우와는 달리 거리에 한 언 이 없다는 것이에

요. 원통이 굵든 가늘든 계가 없으며, 원통에 감은 수와 류의 세기 이외에 솔 노이드의 반지

름이나 솔 노이드로부터의 거리에는 향을 받지 않는다는 것입니다. 다시 말하면 솔 노이드

내부의 자기장은 치에 계없이 모양만 결정되면 일정한 값을 갖게 된다는 것입니다.

솔 노이드를 이용하여 강한 자기장을 얻으려면 많은 류를 흘리거나 도선의 감은 횟수를 늘

여야 합니다. 그러나 원통에 감을 수 있는 도선의 횟수도 한계가 있고, 도선에 무 많은 류를

흘려주면 도선이 뜨거워지기 때문에 자기장을 무한정 강하게 할 수는 없습니다.

그러나 그림 3-37과 같이 솔 노이드 내부에 쇠막 를 넣으

면 그냥 솔 노이드만일 때보다 훨씬 강한 자기장을 얻을 수

있습니다. 이 때 솔 노이드 내부에 넣는 물질을 철심이라고

합니다. 솔 노이드 내부에 철심을 넣은 것을 자석이라고

부릅니다. 자석은 류의 세기로 자기장의 강도를 조 할

수 있으며, 류를 흘려주는 동안만 자석이 되므로 인종,

화기, 동기, 기 기 등에 리 이용되고 있습니다.

[ 제] 8. 길이가 20 cm인 원통에 에나멜 동선을 1000번 감은 솔 노이드가 있다. 이 솔 노이드에

2A의 류를 흘려 때, 솔 노이드 내부의 자기장은 얼마인가?

≪풀이≫ 이 솔 노이드의 단 길이당 감은 수는 n=1000번0.2m

이므로 자기장은

B= k''n I 에서

B= 4π×10-7N/A2×1000번0.2m

×2A = 4π×10-3T

생활 속의 물리 녹음 테이 에 녹음이 되는 원리

그림은 녹음 테이 에 음성 정보를 기록하는 원리

를 나타낸 것이다.

녹음 테이 에 녹음을 할 수 있는 것은 자석을

통과하는 류가 자기장을 만드는 원리를 이용하는

것이다. 마이크로 보내진 사람의 소리는 류로 변

환되고, 이 류의 강약에 따라서 자석의 자기장

이 변하게 된다. 이 자기장의 변화가 녹음 테이 를

자화시켜서 소리를 기록하여 녹음 테이 에 장하

는 것이다. 이와 같은 각종 정보를 장하는 원리를

이용하는 장치로는 비디오 테이 , 시용 카드나 은행 통장의 뒷면에 붙어 있는 정보 기록 테이

등이 있으며, 컴퓨터의 기록장치인 하드 디스크도 같은 원리를 이용한 것이다.

녹음의 원리

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그림 3-38 기 자동차

그림 3-39 류가 자기장 내에서 받는 힘의 방향

(3) 류가 자기장에서 받는 힘

구에 류를 흘리면 빛과 열이 나는 것을 잘 알고 있지요? 기

에 지가 빛에 지와 열에 지로 바 경우입니다. 그리고 선풍기에

류를 흘리면 선풍기 날개가 돌아가면서 시원한 바람이 나오지요.

기 에 지가 운동 에 지로 바 경우이네요.

차세 자동차로 알려진 기 자동차는 구동 에 지를 화석 연료가

아닌 기 에 지로부터 얻는 자동차입니다. 기 자동차는 동기(모터)에 류를 흘려서 동력

을 얻습니다. 그러면 동기가 작동하는 원리는 무엇일까요? 류가 자석과 만났을 때 일어나는

오묘한 상에 해 알아 시다.

우리가 일상 생활에서 많이 사용하는 선풍기, 세탁기, 청소기, CD 이어, 컴퓨터 하드디스크

등에는 모두 동기가 들어 있으며, 동기 안에는 반드시 자석이 있습니다. 무엇 때문에 동기

안에 자석이 들어가 있어야 할까요?

그림 3-38과 같이 말굽자석의 두 극 사이에 도선을 수평하게 장치하고 도선에 류를 흘려주

면 도선이 쪽으로 힘을 받아 움직이는 것을 볼 수 있을 겁니다. 이것은 류가 흐르는 도선 주

에 생긴 자기장이 자석의 자기장과 상호 작용하면서 류가 힘을 받아 움직이는 것입니다. 이

와 같이 류가 자기장에서 받는 힘을 자기력이라고 합니다.

류가 흐르는 도선이 자기장에서 받는 힘의 방향은 류의 방향과 자기장의 방향에 따라 다

르며, 류의 방향과 자기장의 방향은 서로 수직입니다.

자기력의 방향을 알려면 그림 3-39와 같이 오른손의 엄지손가락과 나머지 네 손가락을 직각

으로 펴서 네 손가락을 자기장의 방향에 맞추고, 엄지손가락을 류의 방향과 일치시킬 때 손바

닥에서 수직으로 나오는 방향이 자기력의 방향이 됩니다. 그러면 자기력의 크기는 어떻게 구

할 수 있을까요?

정 한 실험 결과에 의하면, 자기장의 방향에 수직으로 놓인 도선에 류가 흐를 때, 류가 받

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그림 3-41 의 왼손 법칙

그림 3-41 류가 자기장에서 받는 힘의 크기

는 자기력 F의 크기는 자기장 B , 류의 세기 I , 그리고 자기장 내에 있는 도선의 길이 l

에 비례한다고 합니다. 이것을 식으로 나타내면 다음과 같습니다.

F= BI l

이 식으로부터 자기장 내에 수직으로 놓인 1m의 도선에 1 A의 류가 흐를 때 도선이 받는

힘의 크기가 1N이면, 자기장은 1N/A⋅m임을 쉽게 알 수 있습니다.

그런데 가끔 도선이 자기장의 방향에 비스듬히 놓이는 경우가 있어요. 그럴 때에는 주의해야

합니다. 의 식에서 도선의 길이 ( l )은 그림 3-40의 와 같이 자기장과 수직하게 놓인 길이를

의미합니다. 그림 에서와 같이 도선이 자기장과 θ의 각으로 비스듬히 놓 을 때에는 l 신에

자기장에 수직인 길이인 l sinθ를 써서 BIl sinθ를 사용해야 합니다.

그러면 도선이 자기장의 방향과 나란하면 어떻게 될까요? 이런 경우에는 도선과 자기장이 이

루는 각이 0이므로 l sin θ가 0이 되어서 도선은 아무런 힘도 받지 않게 됩니다.

의 왼손 법칙 : 자기력의 방향을 알아내

는 방법으로 (Fleming)의 왼손법칙이 있어요.

그림 3-41과 같이 왼손의 엄지, 검지, 지를 서로

직각이 되게 펴서 검지를 자기장의 방향에, 지를

류의 방향에 맞추면 엄지가 가리키는 방향이 자

기력의 방향이 됩니다. 이것을 의 왼손 법칙이

라고 합니다.

자석이 류가 흐르는 도선에 힘을 미친다면, 도선도 그 자석에 힘을 미처야 한다는 물리 법칙

은 무엇인가요?

[ 제] 9. 균일한 자기장에 수직으로 놓인 길이가 10 cm인 도선에 2A의 류가 흐르고 있다. 이

도선에 작용하는 힘의 크기가 10- 3N이었다면 자기장은 몇 T일까?

≪풀이≫ F= BI l 에서 10-3N = B × 2A × 0.1m

∴ B= 5 ×10-3T

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(4) 자기 유도

기가 없는 세상을 상상해 보았나요? 혹시 우리 생활에서 없어서는 안 되는 기는 어떻게

만들어지는지 알고 있나요?

도선에 흐르고 있는 류가 도선 주 에 자기장을 만든다는 것이 발견되면서 물리학과 기술 발

에 일 환을 가져오게 되었지요. 그리고 많은 물리학자들은 그 반 상으로 자기장이 도

선에 류를 만들 수는 없을까 하는 의문을 가지고 연구하기 시작하 습니다.

국의 물리학자 패러데이(M. Faraday)와 미국의 물리학자 헨

리(J. Henry)는 독자 으로 자기장이 류를 만들 수 있다는 것

을 발견하 으며, 이 발견으로 쉽게 기를 만들 수 있게 되었습

니다. 1831년 패러데이는 그림 3-42와 같이 코일에 자석을 넣고

빼는 것만으로도 코일에 류가 만들어진다는 것을 발견한 것입

니다. 자석과 코일 어느 하나가 다른 것에 해 상 으로

움직이면 코일에 류가 발생하게 되는데, 이런 상을 전자기

유도라고 하며, 이 때 흐르는 류를 유도 전류라고 합니다.

자기 유도 상에서 강한 자석을 사용하거나, 자석이나 코일이 근하거나 멀어지는 속도를

빠르게 하거나, 코일의 감은 수를 증가시키면 많은 유도 류가 발생합니다. 패러데이는 이러

한 실험 사실을 정리하여 다음과 같이 발표하 습니다.

이것을 패러데이의 자기 유도 법칙이라고 합니다.

그러면 자기 유도에서 자기장의 변화는 유도 류의 방향과 어떤 계가 있을까요? 자석을

코일에 넣을 때와 뺄 때, 류계의 방향이 반 로 움직이는 것을 볼 수 있습니다. , 자석의 N극

을 코일에 넣을 때와 S극을 넣을 때도 류계의 방향이 반 로 움직입니다. 이것은 유도 류의

방향이 자기장의 변화에 따라 달라진다는 것을 의미합니다.

그림 3-43에서 보는 바와 같이 자석의 N극을 코

일에 가까이 가져가면 코일 내부를 지나는 자기력

선이 증가하므로 자기장이 커지게 됩니다. 이 때,

코일의 쪽에 N극이 생기도록 유도 류가 흘러서

자석의 N극이 가까이 오는 것을 방해합니다. 즉, 코

일에는 자기력선이 증가하는 것을 방해하는 방향으

로 유도 류가 흐르게 됩니다.

“유도 류의 세기는 코일의 단면을 지나는 자기력선속(자속)의 시간 변화율에

비례하고, 코일의 감은 횟수에 비례한다.”

그림 3-42 자기 유도

그림 3-43 유도 류의 방향

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그림 3-43 유도 류의 방향

자석의 N극이 코일에서 멀어질 때에는 코일의 내부를 지나는 자기력선이 감소하므로 자기

장이 작아지게 됩니다. 이 때는 코일의 쪽에 S극이 생기도록 유도 류가 흘러서 자석의 N극

이 멀어지는 것을 방해합니다. 즉, 코일에는 자기력선이 감소하는 것을 방해하는 방향으로 유도

류가 흐르게 되는 것입니다. 물론 자석의 극이 바꾸어도 같은 결과를 나타냅니다.

도이칠란트의 물리학자 츠(Lenz. H. F.)는 자석의 움직임에 따라 유도되는 류의 방향이 어

떻게 결정되는지 알아냈습니다. 자석을 코일에 가까이 하거나 멀리할 때, 코일에는 자석의 운동을

방해하는 방향(자기장의 변화를 방해하는 방향)으로 유도 류가 흐릅니다. 이를 간단히 정리하

면 다음과 같습니다.

이것을 츠의 법칙이라고 합니다. 츠의 법칙에서 가장 요한 생각은 바로 “코일은 변화를

싫어한다.”라는 것입니다. 츠의 법칙으로 자기 유도에 의한 유도 류의 방향을 결정할 수 있

게 되었어요.

자기 유도 법칙이 발견됨으로써 기장과 자기장의 긴 한 계가 밝 졌으며, 이 법칙으로

역학 에 지를 기 에 지로 환시키는 발 기를 만들어낼 수 있게 되어 인류가 오늘날과

같은 기 문명의 혜택을 릴 수 있게 된 것입니다.

발 기란 무엇이며 동기와는 어떻게 다른가요?

코일을 많이 감아 놓은 원형 고리에 원을 연결하고 원형 고리 가운데로 자석을 넣으려면 힘이

많이 드는데, 그 이유는 무엇일까요?

“ 자기 유도에 의해 코일에 생기는 유도 류는 코일 내부를 지나는

자기력선속의 변화를 방해하는 방향으로 흐른다.”

생활 속의 물리 인라인 스 이트 바퀴에 불이 켜지는 이유는?

불이 켜지는 바퀴가 달려 있는 인라인 스 이트를 타고 달

리면 바퀴에 불이 켜지는 것을 보았을 것이다.

인라인 스 이트를 신고 달리면 바퀴에 부착되어 있는 발

기가 돌아가면서 류가 발생하고, 이 류로 발 다이오드를

작동시켜서 빛을 내게 하는 것이다. 즉, 그림에서 보는 바와 같

이 구 자석을 인라인 스 이트 바퀴의 축에 연결하여 고정시

키고, 바퀴가 회 할 때 코일을 감아 놓은 철심이 구 자석

주 를 바퀴와 함께 회 하도록 만들어 놓았다.

코일을 감아 놓은 철심이 구 자석 주 를 회 하면, 자기

장의 변화로 코일에 유도 류가 발생하도록 하여 바퀴 주변에

불이 켜지도록 만든 것이다. 인라인 스 이트 바퀴의 구조

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물리학을 이끈 과학자 패러데이(Michael Faraday : 1791 - 1867)

국의 물리학자, 화학자인 패러데이는 1791년 국 뉴잉톤 지방의 가난한

가정에서 태어나 정상 인 교육을 받지 못하 다. 그의 아버지는 장장이

고, 패러데이는 13살 때 책 제본업자의 견습공으로 들어갔다. 그는 상 에

있던 모든 과학책들을 큰 흥미를 가지고 읽었다. 21 살의 패러데이는 험 리

데이비 경의 강연을 들었다. 그는 과학에 헌신하기를 열망하게 되었고, 강연

을 열심히 필기하여 그것을 데이비에게 보내면서 일자리를 요청했다.

은 패러데이의 열심에 감동한 데이비는 패러데이를 그의 실험실에 조수로 데려갔다. 그 때부

터 패러데이는 한 실험과학자로 성장해갔다. 그러나 그의 기 연구는 별로 요성을 인정받

지 못했다.

패러데이는 화학과 기 분야에서 목할만한 기여를 많이 했다. 그는 물리학에서 다루는 자연

의 여러 힘들이 하게 서로 연 되어 있다는 신념을 가지고 있었다. 그는 류가 자기장을 만

들고 류에 의해 자석이 힘을 받는 것으로부터 자기가 기를 발생할 수 있어야만 한다고 믿었

다. 실제로 1822년에 이미 그의 노트에 "자기의 기에로의 변환" 이라는 이 있다.

패러데이는 코일을 지나는 자기력선속이 변화할 때 코일에 류가 흐른다는 것을 알아내었다.

결국 그는 1831년에 자기 유도라는 물리학사에 찬란하게 빛나는 발견을 하 다. 그는 기를

실용화시키는 데 공헌함으로써 과학 기술 시 의 막을 열어 놓았다.

수학에 능통하지 못했던 패러데이는 이해를 돕기 해 자기력선과 기력선의 개념을 도입하

으며, 유 체의 연구에 한 그의 업 을 기려 기용량의 단 로 패러드(F)가 쓰이게 되었다.

1834년에 만들어진 그의 기분해 법칙은 화학과 기를 결합시켰으며, 양극(anode), 음극

(cathode), 음이온(anion), 양이온(cation) 극(electrode)이라는 말을 도입하기도 하 다. 패러

데이는 말년에 빛의 편 면이 강한 자기장에 의해 달라지는 것을 발견하 다. 그의 이 발견으로

맥스웰(J. C. Maxwell)이 기와 자기, 그리고 빛을 한데 묶는 자기이론이 탄생시키는데 기여하

다. 패러데이는 생각을 명쾌하고 단순한 언어로 기술하는 능력이 탁월한 매우 유능한 강연가이

기도 하 다.

[문제] 2. 그림과 같이 자석의 두 극 사이에 도선을 놓고

도선을 아래 방향으로 움직여서 자기 유도

상을 실험으로 확인하 다.

⑴ 도선에 유도 류의 방향을 그려 넣어라.

⑵ 다음과 같이 조건을 변화시킬 때 유도 류는 어떻게 되는지 설명해 보아라.

도선의 이동 속도를 빠르게 할 때

도선을 방향으로 움직일 때

도선을 움직이지 않고 붙잡고 있을 때

도선을 자기장의 방향과 평행하게 이동시킬 때