전자석이란 무엇일까

전자석의 역사와 작동방식

전자석이란 무엇입니까? 전자석(Electromagnet)은 전류가 흐르는 동안 자기장이 형성되는 자석의 한 종류입니다. 자기장의 크기는 자계 강도(Magnetic field strength)인 H 또는 자속밀도(Magnetic flux density)인 B로 나타나며 H는 미터당 암페어로 A/m, B는 암페어당 뉴턴 미터인 Nm/A로 측정됩니다. 전자석은 코일에 감긴 철사로 이루어져 있으며 전류가 철사의 코일을 통과하여 코일의 중심을 나타내는 구멍에 자기장을 집중적으로 형성합니다. 철은 그 자체가 자성을 띠는 물질이기 때문에 강력한 철심 주위에 철사를 단단히 감으면 자기장이 더 강해질 수 있습니다. 그리고 전류가 흐르지 않으면 자기장이 사라집니다. 전자석에는 몇 가지 특성이 있는데 가장 중요한 특징은 바로 강한 자성을 가지고 있어 철, 니켈, 코발트와 같은 강자성 물질을 끌어당길 수 있다는 점입니다. 그다음으로는 반발성이 있습니다. 전자석의 극은 서로 밀어내고, 반대 극은 서로 끌어당깁니다. 그리고 전자석은 항상 남북 방향을 가리킵니다. 전자석과 영구자석의 중요한 차이점은 전자석은 전류가 전자석을 통과할 때만 다른 금속 물체에 대한 자기성이 발생한다는 것입니다. 거기다 전류 흐름을 조절함으로써 자기력의 세기를 조절할 수 있습니다. 예를 들어, 전자석은 마음대로 켜고 끌 수 있으며, 앞서 언급한 것처럼 자기장의 세기를 조절하는 것도 가능합니다. 그래서 전자석은 종종 고철 공장에서 고철을 모으는 데 사용되고는 하며, 게다가 전자석의 극의 방향을 반전시키는 것만으로 양극화(Polarization)되고 변화할 수 있다는 사실 덕분에 발전기나 모터를 만드는 데에도 매우 유용하게 이용할 수 있습니다. 그래서 전자석은 임시 자석이라고도 불리며 영구 자석보다도 더 유용하고 유연하게 사용하는 것이 가능합니다. 이렇게 전자석은 전하 입자 사이에서 일어나는 물리적인 상호작용의 일종인 전자기력(Electromagnetic Force)의 원리에 따라 작동합니다. 그리고 1820년, 덴마크의 물리학자인 한스 크리스티안 외르스테드는 전류가 와이어를 통과할 때마다 근처의 나침반 바늘이 꺾인다는 것을 증명했습니다. 그리고 4년 후인 1824년에는 영국의 과학자인 윌리엄 스터전이 맨 구리선으로 감싼 말발굽 모양의 철 조각을 사용하여 전자석을 발명했으며 1830년 미국의 과학자 조지프 헨리는 더 정교한 전자석을 만들었습니다. 전류가 직선으로 흐를 때, 그것은 그 주위에 자기 전류를 발생시킵니다. 자기장 강도는 구리선을 특정 방향으로 감는 것으로 형성시킬 수 있으며 구리 와이어를 여러 번 감을수록 강도가 더욱 높아집니다. 실제로 전자석의 강도는 코일의 회전 횟수에 정비례합니다. 그래서 전자석의 세기는 회전수를 두 배로 늘림으로써 두 배로 증가시키는 것이 가능합니다. 즉, 와이어를 반대 방향으로 감으면 이전에 감은 와이어의 효과는 취소되므로 권선은 한 방향으로 감아둬야 합니다. 철 속에 있는 각 원자는 천연 자석처럼 행동하고, 그것들이 임의의 방향으로 움직이기 때문에 작은 자석의 효과는 취소됩니다. 하지만 철이 구리선 권선 안에 감겨 있을 때, 권선 코어 안에 있는 작은 자석 전체가 자기장 방향으로 정렬되기 때문에 전자기 효과가 더 강해져서 강력한 전자석을 얻을 수 있습니다. 자기장의 강도는 자기장을 통해 포화점(Saturation Point)으로 흐르는 전류의 크기에 의해서도 영향을 받습니다. 전자석을 통한 전류의 흐름이 멈추는 순간, 코어와 와이어 내에 있는 자성은 사라지게 됩니다. 그리고 전자석은 오른손 법칙(Right-hand rule)을 사용하여 양극화될 수 있습니다. 이 규칙에 따라 오른손 엄지로 공을 잡으면 흐름을 잡고 있는 네 개의 손가락은 전류 방향을 가리키고 엄지는 자북을 가리키게 됩니다.