서론
책상 위에 막대자석을 놓고 그 주변에 철가루를 뿌리면, 흩어져 있던 작은 조각들이 갑자기 줄을 섭니다. 학생들은 그 순간 '선이 생겼다'고 말합니다. 사실 선이 생긴 것이 아니라, 보이지 않던 자기장의 방향을 철가루가 대신 보여 준 것입니다.
자기력은 눈에 바로 보이지 않지만, 입자와 나침반을 통해 방향과 세기를 읽을 수 있습니다.
본론
자기장은 자석이나 전류 주변에 생기는 공간의 성질입니다. 자기장 속에 놓인 자석이나 자성체는 힘을 받거나 방향을 맞추려 합니다. 자기력선은 그 방향을 보기 쉽게 그린 선입니다. 선이 촘촘할수록 자기장이 강한 곳으로 해석합니다.
막대자석 주변에서는 자기장이 한쪽 극에서 나와 다른 극으로 이어지는 모양을 만듭니다. 나침반의 북쪽 끝은 자기장 방향을 따라 정렬됩니다. 그래서 나침반을 여러 위치에 놓으면 자기장 방향을 점으로 찍듯이 확인할 수 있습니다.
철가루가 자석 주변에서 무늬를 만드는 장면은 자기장을 처음 이해할 때 매우 강력한 단서가 됩니다. 철가루 하나하나는 작은 자석처럼 자기장의 방향에 맞추어 배열됩니다. 다만 철가루 무늬를 실제 선이 존재한다는 뜻으로 받아들이면 안 됩니다. 선은 방향과 세기를 읽기 위한 지도에 가깝습니다.
자기장의 방향은 전동기, 스피커, 발전기 같은 장치에서 실제 힘의 방향과 연결됩니다. 전류가 흐르는 도선이 자기장 속에 놓이면 힘을 받을 수 있고, 그 방향은 전류와 자기장의 방향에 따라 달라집니다. 눈에 보이지 않는 장이 기계의 회전과 진동을 만들어 내는 셈입니다.
자기장 실험에서는 철가루가 모이는 위치와 방향을 함께 보아야 합니다. 자석의 끝부분에서는 선이 촘촘하고 곡률도 큽니다. 가운데에서 멀어질수록 영향은 약해집니다. 극을 바꾸거나 자석 두 개를 가까이 놓으면 전체 모양도 크게 달라집니다.
자기력선이 실제 끈처럼 존재한다고 생각하면 안 됩니다. 자기력선은 힘의 방향과 세기를 표현하기 위한 그림입니다. 또 자기력선은 서로 교차하지 않습니다. 한 지점에서 자기장의 방향은 하나로 정해지기 때문입니다.
Simulix 자기력선 실험실에서는 입자들이 자기장 방향에 맞춰 움직이는 모습을 볼 수 있습니다. 자석 가까이와 먼 곳의 차이를 비교하고, 시점을 바꾸어 같은 자기장도 다르게 보일 수 있음을 확인해 보세요.
자기장은 나침반, 전동기, 발전기, 스피커, MRI 같은 장치와 이어집니다. 눈에 보이지 않는 힘이지만, 현대 기술에서는 아주 구체적인 일을 합니다. 작은 자석 실험은 전자기 기술의 출발점입니다.
결론
자기장을 잘 이해하려면 보이지 않는 힘을 보이는 흔적으로 읽는 연습이 필요합니다. 철가루와 나침반은 그 연습을 돕는 훌륭한 번역기입니다.