발전기·변압기는 이렇게 해서 생겨났다

전류에 의해서 자계가 얻어진다면 반대로 자계에서 전류를 얻을 수도 있지 않을까. 

이런 생각을 바탕으로 끈기 있게 실험을 계속한 사람들이 있는데, 영국의 패러데이, 러시아의 렌쯔, 미국의 헨리 같은 과학자들이 대표적인 인물이다. 

그래서 전자유도(電磁誘導)란 중요한 현상이 이 세 사람에 의해 거의 같은 시기에 각각 독립적으로 발견되었는데, 그 중에서도 1831년에 발표한 패러데이가 가장 빨랐기 때문에 결국은 그의 업적이 되고 말았다.

코일의 양끝에 검류계를 연결하고 자석을 코일에 가까이 했다 멀리 했다 하면 검류계의 바늘이 흔들린다. 즉 전기가 흐르고 있는 것이다. 

전류의 크기는 자석을 움직이는 속도가 빠를수록 크고, 전류의 방향은 가까이 할 때와 멀리 할 때 반대가 되며, 또 N극과 S극에서도 반대가 된다. 이러한 현상은 자석을 그대로 둔 채 코일 쪽을 움직여도 마찬가지이다. 

자석 대신 코일로 대체할 경우, 스위치를 달아 이 코일에 전류를 넣거나 끊거나 하면, 본래의 코일에도 그 순간만 전류가 흐른다. 그 전류의 방향은 다른 코일에서 전류를 넣을 때와 끊을 때에 반대가 된다. 이처럼 자계의 변화에 의해 도체에 기전력(起電力)이 발생하는 현상을 전자유도라고 하며 이 기전력을 유도기전력(誘導起電力), 흐르는 전류를 유도전류라고 한다.

유도기전력의 크기에 관해 패러데이는 ‘유도기전력은 코일을 관통하는 자력선이 변화하는 속도에 비례한다’는 사실을 알아냈다. 이것을 패러데이의 전자유도의 법칙이라고 한다. 언뜻 보기에는 간단한 것 같지만, 매우 중요한 현상을 나타내는 대법칙으로 이 법칙이 근거가 되어 발전기나 변압기도 발명할 수 있었던 것이다.

한편 유도기전력의 방향에 대해서는 렌쯔가 ‘유도기전력은 유도전류가 만드는 자계가 원래의 자계의 변화를  방해하는 방향으로 발생한다’는 법칙을 밝혀냈다. 이것을 렌쯔의 법칙이라고 한다. 이 법칙에 의해서 코일에 흐르는 유도전류의 방향을 알 수 있게 되었던 것이다. 

플레밍의 왼손법칙

두 토막의 레일, 알루미늄 파이프, 자석을 놓은 다음, 레일에 전류를 보내면 알루미늄 파이프는 레일 위에서 움직이기 시작한다. 이것은 알루미늄 파이프에 전류가 흐르면 자계에서 힘을 받는다는 것을 나타낸다. 

자석의 방향을 이리저리 바꾸어 가면서 알루미늄 파이프에 작용하는 힘 F의 방향을 조사해 보면, 항상 전류 I의 방향과 자계 H의 방향 사이에는 직각 관계가 있다는 것을 알 수 있다. 

이와 같이 전류와 자계와의 사이에 작용하는 힘을 전자력이라고 한다.

힘 F의 방향을 정하는데 편리한 플레밍의 왼손법칙이 있다. 왼손의 가운데손가락, 집게손가락, 엄지손가락을 서로 직각이 되게 벌리고, 가운데손가락을 전류의 방향으로, 집게손가락을 자계의 방향으로 하면 힘의 방향은 엄지손가락이 가리키는 방향이 된다. 이 법칙은 아주 편리한 법칙으로 모터의 회전 방향을 정할 때 등에 필요하다.

전류의 그림자 같은 존재, 자계

직선인 도선에 전류 I를 보내면 도선 둘레에는 동심원 모양의 원형 자계 H가 생긴다. 도선 둘레에 자침을 놓고 자계의 방향을 조사하면 자계의 방향은 오른 나사가 진행하는 방향을 전류의 방향으로 했을 때 나사를 돌리는 방향과 일치한다. 

이것이 바로 앙페르의 오른 나사 법칙이라는 것이다. 도선 둘레의 어느 점에 있어서의 자계의 세기는 전류에 비례하고, 전류에서 그 점까지의 거리에 반비례한다.

전류가 흐르면 싫든 좋든 반드시 자계가 생기는데, 이러한 현상은 전기의 가장 기본적인 성질중 하나이다. 

이것은 뒤집어 말하면 자계가 있는 곳에는 반드시 전류가 있다는 말이 된다.

또한 도선을 원형으로 해서 전류를 흘리면, 그 원형전류가 만드는 면을 관통해서 자력선이 생겨 자계가 형성된다. 이 경우 자계의 방향은 오른 나사를 전류의 방향으로 회전시켰을 때, 오른 나사의 진행방향이 된다.

도선을 원통 모양으로 촘촘히 감은 것이 코일인데 이 코일은 솔레노이드코일이라고도 한다. 여기에 전류를 흘리면 자계가 형성된다.   

코일에서도 자계의 방향은 원형 전류의 경우와 같다. 코일 내부의 자계의 세기 H는 전류 I와 코일의 단위 길이에 감은 권수 N에 비례한다. 또한 자계의 방향을 구하기 위해 오른손 법칙을 사용하기도 하는데, 이것은 매우 편리한 방법이다. 

자석, 그 신비한 세계

자석이 전기에 의해서 일어나는 현상이라는 것을 아는 사람은 드물다.

자석을 맨 처음으로 발견한 것은 중국인이며 4,500년 전부터 천연자석에 대한 지식이 있었고 3,000년 전쯤에는 나침반까지 만들었다.

자석의 힘은 대단해서 떨어져 있어도 작용한다. 이것은 자석 둘레에 떨어져 있는 물체에도 힘을 미치는 공간이 형성되기 때문인데, 이 공간을 자계(磁界) 또는 자장(磁場)이라고 한다. 지구도 하나의 큰 자석이다. 이에 지구 둘레의 공간에는 자계가 형성되어 있다. 

자침이 북을 향하는 것도 바로 이 때문이다. 자침이 북을 가리키는 끝을 N극(양극), 남을 가리키는 끝을 S극(음극)이라 한다. N극끼리 또는 S극끼리는 서로 밀어내고 N극과 S극이 만나면 서로 당긴다는 것을 자석을 가지고 놀아본 경험이 있는 사람이라면 누구나 잘 알 것이다. 이것은 정전기의 전하 사이에 작용하는 힘과 흡사하다.

자계 속에서 자침이 N극을 가리키는 방향을 자계의 방향이라고 한다. 자석 위에 두꺼운 종이를 놓고 그 위에 쇳가루를 뿌린 다음 종이를 가볍게 두드리면 쇳가루는 아름다운 모양으로 늘어선다. 이러한 쇳가루가 그리는 선을 자력선이라고 한다.

이 사실에서 미루어 볼 때, 자석은 분자 크기 정도의 미소한 자석이 모여서 구성되어 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 미소한 자석을 분자자석이라고 한다. 보통의 쇠는 이 분자자석이 제멋대로의 방향으로 되어 있으나 자계를 가하면 분자자석은 자계의 방향으로 정렬해서 자석이 된다.