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1. 전기현상과 자기현상의 관계
1.1. 전하와 자석이 만드는 전기장과 자기장
전하가 만드는 전기장과 자석이 만드는 자기장은 서로 매우 유사하다. 전하가 만드는 전기력선과 자석이 만드는 자기력선은 동일한 방식으로 전기장과 자기장의 방향을 나타낸다. 단일 점전하나 막대자석의 경우 전기장과 자기장의 모습이 유사하게 나타난다. 전기력선이나 자기력선의 밀도가 높을수록 해당 장의 세기가 강하다는 것을 알 수 있다.
크기가 같은 양전하와 음전하를 가까이 두면 전기 쌍극자가 되고, 같은 방식으로 N극과 S극을 가진 막대자석은 자기 쌍극자라고 부른다. 이와 달리 단일 양전하나 N극 자석은 전기 단극자와 자기 단극자로 정의된다. 특히 자기 단극자는 실제로 존재하지 않는데, 자석을 둘로 자르면 언제나 새로운 N극과 S극이 생성되기 때문이다. 이는 물질의 미시적 구조에 대한 이해를 통해 해결되었다.
자기장을 만드는 것은 전하와 무관한 독립적인 성질이 아니라, 전하의 움직임인 전류에 의해 자기장이 만들어진다는 점이 밝혀졌다. 즉 전기와 자기는 서로 밀접한 관련이 있다는 것을 알 수 있다.
1.2. 전류와 자기장의 관계: 에르스테트의 발견
1821년 에르스테트라는 덴마크의 물리학자가 전류 주위에 자기장이 만들어지는 것을 발견했다. 에르스테트는 학생들에게 도선에 전류가 흐르면 열이 발생하는 것을 보여주려고 준비하였다. 그리고 자기장에 대해서도 보여주기 위해 실험대 위에 나침반을 가져다 놓았다. 그런데 전류를 흘려주는 실험을 하면서 에르스테트는 전류 스위치를 켤 때마다 나침반 바늘이 움직이는 것을 보고 무척이나 놀랐다. 이는 전류가 흐르는 도선 주변에 자기장이 생긴다는 것을 보여주는 실험 결과였다. 에르스테트 자신은 이 사실이 어떻게 된 일인지 규명해 내지는 못하였다. 에르스테트의 발견 이후 비오-사바르와 암페어의 노력에 의해 전류가 자기장을 만드는 원리가 밝혀지게 되었다. 즉 전기현상과 자기현상 사이에 관계가 있다는 사실을 알게 된 것이다.
1.3. 자기장과 전기장의 상호작용: 패러데이의 발견
전기현상과 자기현상 사이에는 밀접한 관련이 있다. 전류가 흐르면 자기장이 생기고, 자기장 내에서 전류가 흐르면 힘이 작용하는 것을 에르스테트가 발견하였다. 이처럼 전기현상과 자기현상은 서로 영향을 주고받는다. 이러한 관계를 규명하기 위해 패러데이는 연구를 진행하였다.
패러데이는 전류가 자기장을 만들 수 있다면, 자석도 어떤 방법으로든 전기장을 만들어야 한다고 생각하였다. 그러나 정지한 자석에서 전기장을 만들어내는 것은 쉽지 않았다. 전기현상의 일종인 전류가 자기현상인 자기장을 만들어냈던 것처럼, 자기현상에서 전기장이 만들어질 수 있는 경우가 있을 것이라는 의문이 생겼다.
그 해답은 전하가 움직이면 자기장이 생기는 것과 마찬가지로, 자기장의 변화에 의해서도 전기장이 유도될 수 있다는 것이었다. 즉, 자석을 움직이면 주위에 전기장이 생긴다는 사실을 발견한 것이다. 회로 주위에서 자석을 움직이면 회로에 전류가 흐르게 되는데, 이 전류는 자석을 움직이는 방향을 방해하는 방향으로 흐른다. 이처럼 자기장의 변화에 의해 전기장이 유도된다는 사실은 패러데이가 발견한 것이다.
패러데이는 이 유도 기전력을 결정하는 요인이 무엇인지 면밀히 조사하여 패러데이의 유도 법칙을 발견하였다. ...
