【중국인민교육출판사】고등학교 물리 필수 제3권: 오스테드의 발견과 자장 방향 판단

전기와 자기학의 '우연한' 순간을 열다

1820年4月，奥斯特在一次讲课中，偶然地把导线放置在一个指南针的上方并通入电流。这一瞬间，자침이 눈에 띄게 기울었다이는 오스테드가 오랫동안 기대해왔던 것이었다. 이전까지 사람들은 전기와 자기는 전혀 관련이 없다고 여겼다. 이 발견은 '움직이는 전기'가 '자기'를 생성할 수 있음을 입증했으며, 전기와 자기 사이의 내재적 관계를 드러냈을 뿐만 아니라 물리학계의 고정관념도 깨뜨렸다.

核心物理实在：磁场与磁感线

자장 (Magnetic Field)전류가 주변에서 유도하는 물리적 장이다. 가상이 아니라 물질 존재의 한 형태이며, 그 안에 들어간 자성체에 힘을 작용한다.
자속선 (Magnetic Induction Line)자장을 시각적으로 설명하기 위해 우리는자장 속의 미세한 철분을 따라 곡선을 그린다자속선의 밀도는 자장의 세기를 나타내며, 접선의 방향은 해당 지점의 자장 방향을 의미한다.
공간적 위상 판단직선 전류의 방향과 그 자속선 방향 사이의 관계는암페어 법칙암페어 법칙을 사용하여 판단할 수 있다.

💡 역사적 통찰

오스테드의 실험은 단순히 '전류가 자기를 만든다'는 발견을 넘어, 전자기 통합의 길을 열었다. 파라데이는 이 아이디어에 영감을 받아 10년 후 전자기 유도 현상을 발견하게 되었으며, '자기로부터 전기'를 생성하는 대칭적 전환을 완성했다.

질문 1

[시각: 그림 13.1-13] 전류가 흐르는 직선 도체 근처의 작은 자침은 그림 13.1-13과 같이 북동쪽을 향하고 있습니다. 도체 내부의 전류 방향을 표시하세요.

종이면을 바깥쪽으로

아래에서 위로

위에서 아래로

수평으로 왼쪽

질문 2

[시각: 그림 13.1-14] 그림 13.1-14와 같이 원형 도체 링을 통해 반시계 방향으로 전류가 흐를 때, 링 중심에 위치한 작은 자침이 최종적으로 정지할 때 북극의 방향은?

종이면 안쪽을 향함

종이면 바깥쪽을 향함

반지름 방향으로 바깥쪽

접선 방향으로 시계 방향

질문 3

전류가 흐르는 솔레노이드의 자장에 관한 다음 중 올바른 말은 무엇입니까?

구멍 부분의 자장이 내부보다 강하다

내부 자장이 관외보다 강하며, 내부의 자속선이 가장 밀집되기 때문이다

솔레노이드 내부에는 자장이 없다

자속선은 솔레노이드 내부에서 북극에서 남극으로 향한다

질문 4

오스테드 실험에서, 도체를 작은 자침 위에 북남 방향으로 놓고 전류를 흘릴 때 자침이 움직이는 이유는 무엇입니까?

도체 내 전하가 자침에 정전력을 발생시켰다

전류가 흐르는 도체 주변에서 생긴 자장이 자침에 자력 작용을 했다

도체가 데워져 공기 밀도가 변했다

지구의 자장이 갑자기 사라졌다

질문 5

암페어의 지구 자기성 가설에 따르면, 지구의 자장은 지구 중심을 통과하는 축을 중심으로 한 원형 전류에 의해 발생한다. 만약 지리적 북극 근처가 자장의 남극이라면, 이 원형 전류의 방향은?

서쪽에서 동쪽으로

동쪽에서 서쪽으로

남쪽에서 북쪽으로

북쪽에서 남쪽으로

통합 응용: 자장의 양자화 및 에너지 변환

자장의 정의와 신에너지 동력 시스템을 결합하여 심층 분석

본 사례는 자속밀도의 본질적 이해, 전자기 유도에서의 전류 판별, 그리고 풍력이 전기 에너지로 변환되는 정량적 계산을 다룹니다. 이러한 문제들은 기본 자기학에서부터 대규모 에너지 응용에 이르는 기술적 연결 고리를 형성합니다.

1. 어떤 지역의 풍속은 $14 \text{ m/s}$이고, 공기 밀도 $\rho = 1.3 \text{ kg/m}^3$입니다. 풍력 발전기의 단면적 $A = 400 \text{ m}^2$이며, 풍력의 $20\%$만 전기 에너지로 변환될 수 있다고 할 때, 발전 용량을 계산하세요.

답변:
풍력 출력 공식에 따라: $P_{total} = \frac{1}{2} \rho A v^3$. 데이터를 대입하면: $P_{total} = 0.5 \times 1.3 \times 400 \times 14^3 = 713,440 \text{ W}$. 최종 발전 출력은 $P = P_{total} \times 20\% \approx 1.43 \times 10^5 \text{ W}$ (또는 $143 \text{ kW}$)입니다.

2. 진술 분석: 일부 사람은 $B = \frac{F}{Il}$에 기초해 자속밀도 $B$는 자장력 $F$와 비례하고, 전류 $I$와 길이 $l$의 곱과 반비례한다고 주장한다. 이 견해는 맞는가? 왜 그런가요?

답변:
该说法错误。磁感应强度 $B$ 是磁场本身的属性，由场源（如永磁体或电流源）决定，与放入其中的检验电流（$I, l$）以及受力 $F$ 无关。该公式仅为磁感应强度的定义式，而非决定式。

3. 如图 13.3-12 所示，线圈 A 与 B 绕在铁芯 P 上。若线圈 A 的电流 $i$ 随时间 $t$ 变化。在 $t_1 \sim t_2$ 阶段，若电流 $i$ 为恒定值（如图丙），线圈 B 中会有感应电流吗？若是线性增加（如图甲）呢？

답변:
若电流恒定（图丙），磁通量不发生变化，B 线圈中无感应电流。若电流随时间变化（如图甲线性增加、图乙减少或图丁非线性变化），产生的磁场随之变化，穿过 B 的磁通量改变，从而在 B 中观察到感应电流。

4. 자속량 계산: 코일 면적은 $S$, 자속밀도 $B$의 균일한 자기장과 수직이다. 초기 위치, $OO'$를 기준으로 $60^{\circ}$ 및 $90^{\circ}$ 회전했을 때의 자속량을 구하시오.

답변:
初始位置磁通量 $\Phi_1 = BS$；转过 $60^{\circ}$ 时，有效投影面积减半，$\Phi_2 = BS \cos 60^{\circ} = 0.5 BS$；转过 $90^{\circ}$ 时，线圈与磁场平行，无磁感线穿过，$\Phi_3 = 0$。