전자기학›5장 정자계

자석 및 자기유도

Magnetic Induction & Coulomb's Law

자석은 왜 붙을까?
🧲 자석의 본질
①모든 자석에는 N극과 S극이 반드시 쌍으로 존재합니다 — 단극(모노폴)은 없습니다
②같은 극끼리는 밀어내고(척력), 다른 극끼리는 당깁니다(인력)
③이 힘은 전하 사이의 쿨롱 법칙과 완전히 같은 구조를 따릅니다
자기 쿨롱의 법칙 시각화
4 Wb
-3 Wb
3 m

자극 사이의 힘 — 같은 극은 척력(빨강), 다른 극은 인력(초록)

🔑 핵심 관찰
①m₁·m₂ > 0 (같은 극) → 척력(빨간 화살표)으로 서로 밀어냅니다
②m₁·m₂ < 0 (다른 극) → 인력(초록 화살표)으로 서로 끌어당깁니다
③거리 r이 2배 → 힘은 1/4로 줄어듭니다 (역제곱 법칙)
자기에 관한 쿨롱의 법칙
자기 쿨롱의 법칙
F = (1/4πμ₀) · (m₁·m₂/r²) [N]
m₁, m₂: 자극의 세기 [Wb], r: 거리 [m], μ₀ = 4π×10⁻⁷ [H/m]
진공의 투자율
μ₀ = 4π × 10⁻⁷ [H/m]
투자율(permeability) — 자기장이 매질을 통과하는 능력의 척도
⚡ 정전계↔정자계 대응표
①전하 Q[C] ↔ 자하 m[Wb]
②유전율 ε₀=8.85×10⁻¹² F/m ↔ 투자율 μ₀=4π×10⁻⁷ H/m
③쿨롱 F=Q₁Q₂/(4πεr²) ↔ F=m₁m₂/(4πμr²)
④전계 E=Q/(4πεr²) ↔ 자계 H=m/(4πμr²)
⑤전위 V=Q/(4πεr) ↔ 자위 U=m/(4πμr)
⑥전속밀도 D=ε₀E ↔ 자속밀도 B=μ₀H
⑦관계도: F→(÷Q)→E→(×r)→V→(×ε)→D / F→(÷m)→H→(×r)→U→(×μ)→B
관계도 체인
F →(÷m)→ H →(×r)→ U →(×μ)→ B
자기 쿨롱 힘 → 자계 → 자위 → 자속밀도 순서로 연결
자기유도란?
5

외부 자계에 의한 자성체 자화 — 자기유도 현상

자기유도 원리
외부 H 인가 → 자성체 내부 자화 → N/S극 형성
자성체(철 등)를 외부 자계에 놓으면 자화되어 자석처럼 행동 — 이것이 자기유도
💡 자성체의 종류
①강자성체: 철, 니켈, 코발트 — 자기유도 매우 강함 (μᵣ >> 1)
②상자성체: 알루미늄, 백금 — 약한 자기유도 (μᵣ ≈ 1+)
③반자성체: 구리, 금, 은 — 외부 자계 반대 방향으로 약하게 자화 (μᵣ ≈ 1−)
시험 핵심 정리
쿨롱의 법칙
F = m₁m₂/(4πμ₀r²)
단위: [N], 인력(−)/척력(+)
진공 투자율
μ₀ = 4π×10⁻⁷
단위: [H/m]
🎯 시험 포인트
①자극은 항상 쌍으로 존재 — 자기 모노폴은 존재하지 않는다
②F ∝ m₁m₂, F ∝ 1/r² — 전기 쿨롱 법칙과 동일 구조
③μ₀ = 4π×10⁻⁷ [H/m] 값 암기 필수
④자기유도: 외부 자계에 의해 자성체가 자화되는 현상
⑤강자성체 > 상자성체 > 반자성체 순으로 자화 정도가 다름
📝 대표 기출문제
①[쿨롱] m₁=4×10⁻⁴Wb, m₂=6×10⁻⁴Wb, r=0.3m → F=m₁m₂/(4πμ₀r²) 계산
②[대응표] 정전계의 D=ε₀E에 대응하는 정자계 관계식은? → B=μ₀H
③[자기유도] 강자성체를 외부 자계에 넣으면 자화되어 자석이 되는 현상의 이름은? → 자기유도