자기장이란 무엇인가?
장 (물리학)
자기장은 중력장과 전기장과는 다르게 직접적으로도, 혹은 간접적으로도 형성되는 벡터장이다. 자석의 자하에 의해서 직접적으로 형성되기도 하고, 움직이는 전하(또는 전류)와 시간에 따라 변화하는 전기장에 의해서 간접적으로 유도되어 형성되기도 한다. 보통 자기장의 크기를 두 가지의 척도를 기준으로 판하는데, 하나는 자기장H(자계강도), 또 다른 하나는 자기장B(자속밀도)이다. 자계강도는 자기장이 있는 공간의 자기적 특성을 고려하지 않은 물리량이고, 자기적 특성을 생각한 물리량으로 자기력을 직접 계산할 수 있다. 이 두 물리량은
의 관계에 따라서 상호 변환이 되는 물리량이라는 것을 확인할 수 있다. 다시 말해서, 자기장을 나타낼 수 있는 두 척도 B와 H는 근본적으로 같은 의미를 지닌다. 위의 수식에서 formula_13는 자기장이 생긴 공간의 자기적 특성인 자기투자율이다.
자기장
"자기장"이라고 불리는 장은 formula_1와 formula_2 두 개가 있다. 이 중 formula_3는 자속 밀도(자기장)(磁氣線束密度, )이라 불리고, formula_2는 자계 강도()라고 부른다. 두 장은 진공에서는 서로 formula_5로 서로 비례하지만, 매질 안에서는 일반적으로 서로 다르다. 자속 밀도와 자계 강도가 서로 비례하는 매질을 선형 매질이라고 하는데, 이 때 비례 상수를 매질의 투자율 formula_6이라고 한다.
전자석
철과 같은 강자성 물질로 만든 자기 코어는 자구라고 하는 작은 구획들로 되어있다. 전류가 흐르기 전에 자구들은 특정한 방향이 없이 무작위적으로 배열되어 있기 때문에 결과적으로 자성을 띄지 않는 상태가 된다. 하지만 코일에 전류가 흐르고 자기력선이 형성되면 자기 코어의 자구들은 자기력선을 따라 배열되고 영구자석과 같은 자력선을 나타내게 된다. 이 때문에 코일이 만드는 자기력선과 자기 코어의 자기력선이 더해져 보다 강력한 자기장을 만들게 된다. 특정 전류가 만들어 낼 수 있는 자기장이 정해져 있으므로 자기 코어에 의해 형성되는 자기장 역시 일정 정도 이상 세기가 증가하지는 않는다. 전자석이 만들어 낼 수 있는 최대 크기의 자력에 도달하는 것을 자기 포화라고 한다.
자기 디스크
자기 디스크(Magnetic disk)는 강자성 박막의 미소 자구의 자화(magnetization)의 방향을 좌우로 평행 또는 반평행하게 제어하여 기록하고 거기에서 나오는 자기장의 변화를 감지하여 기록된 정보를 재생하는 컴퓨터용 보조 기록장치의 매체이다.
전자기학
전기와 자기는 아주 오래전부터 알려진 현상이었지만, 이 둘이 사실은 같은 상호 작용이란 것은 19세기에 와서야 밝혀졌다. 1820년 덴마크의 과학자 한스 크리스티안 외르스테드는 전류가 흐르는 도선 가까이 나침반을 두면 나침반의 바늘이 가리키는 방향이 변하는 것을 관찰하고 전류와 자기 사이에 연관이 있음을 밝혀냈다. 프랑스의 과학자 앙드레마리 앙페르는 외르스테드의 논문을 읽고 자신도 같은 실험을 하여 전류가 흐르는 도선에 생기는 자기장의 방향을 관찰하였다. 앙페르는 전류가 오른손의 엄지손가락 방향으로 흐를때 자기장은 나머지 네 손가락을 말아쥔 방향으로 형성된다는 것을 밝혔는데, 오른손 엄지를 위로 치켜 든다면 나머지 말아 쥔 네손가락은 반시계방향을 나타내게 된다. 이러한 발견은 앙페르의 오른나사 법칙이라는 이름으로 널리 알려지게 되었고, 훗날 수리 모형이 만들어져 앙페르의 회로 법칙이 수립되었다. 1824년 영국의 과학자 윌리엄 스터전은 전류에서 발생하는 자기장을 이용하여 전자석을 만들었다. 스터전이 처음 만든 전자석은 말굽 모양의 철심을 자기 코어로 이용한 것이었다. 스터전은 자기 코어에 굵은 구리 전선을 18 번 감아 전자석을 만들었다. 당시에는 오늘날과 같은 절연체가 없었기 때문에 스터전은 구리 도선에 바니시를 발라 절연체로 사용하였다.
전류가 자기장을 만든다는 사실이 알려지자, 자기장에서도 전류를 만들 수 있지 않을까 하는 의문을 갖는 것은 어찌보면 당연한 것이었다. 1831년 마이클 패러데이는 자석을 도선 가까이에서 움직이면 전류가 생긴다는 것을 밝혀내었다. 패러데이는 영구 자석이든, 전자석이든 자기장을 형성하는 것이기만 하면 도선가까이에서 움직이면(즉, 자기장의 변화가 일어나면) 전류가 생긴다는 것을 알아내고 이를 정리하여 패러데이 전자기 유도 법칙을 발표하였다. 자기에서 전기가 유도될 수 있다는 것이 알려지자, 이것을 이용한 많은 기술들이 발명되었다. 니콜라 테슬라는 전자기 유도를 이용하여 교류 발전기를 발명하였다.
자기장
자석과 자기가 훨씬 더 이전에 알려져 있었음에도 자기장에 대한 연구는 1269년 프랑스의 학자 페트루스 페레그리누스(Petrus Peregrinus de Maricourt)가 철 바늘을 이용하여 구 모양의 자석 표면에 자기장을 배치시키면서 시작되었다.
자기권계면
B (r)는 si 단위 (T에 있는 B, H/m)에 있는 행성의 펼쳐져 있는 자기장의 세기이다.
행성간 자기장
행성간 자기장은 태양계 행성들 사이의 태양풍에 의해 이동된 태양 자기장을 나타내는 용어이다. 태양풍이 플라즈마 상태이기 때문에 행성간자기장은 단순한 기체의 특성이 아니라 플라즈마의 특성을 갖는다. 예를 들면 그것은 전기적 전도성이 매우 높아서 태양으로 부터 나오는 자기장선이 태양풍을 따라 움직인다. 태양풍의 동역학적 압력은 태양계(또는 태양권)의 대부분에 걸쳐 자기압을 지배하기 때문에 자기장은 외부 운동의 결합과 태양의 자전에 의해 아르키메데스 나선형 패턴으로 안으로 당겨진다. 반구와 태양 주기 위상에 의존하면서 자기장은 안 또는 밖으로 소용돌이친다; 자기장은 반구의 북쪽부분과 남쪽부분에서 같은 모양을 나선형을 따르지만 자기장의 방향은 반대이다. 이 두 자기 영역은 휘어진 면으로 확인된 전기적 흐름인 두 개의 자기디스크에 의해 나뉜다. 이 태양권 자기 디스크는 빙글빙글 도는 발레리나 치마와 유사한 모양을 갖고 태양의 자기장이 약 11년을 주기로 역전되는 태양 주기를 따라 모양이 변한다.
전기장
전기장(電氣場, electric field)은 관찰 대상인 전하를 띤 물체가 공간 상의 어느 점 P에 있는 시험 전하에 가해주는 단위 전하량 당 전기력을 뜻한다. 즉, 시험 전하가 느끼는 전기력을 시험 전하의 전하량으로 나눈 값이다. 전기장은, 어느 전하가 다른 전하에 전기력을 가할 때, 순간적인 원격 작용이 아니라 이러한 전기력을 매개해줄 공간이 필요하다고 생각하여 만든 개념이다. 즉, 전기력이 갖고 있는 원격력의 성질을 설명하기위해 도입한 개념이다. 전하가 주위에게 전기력을 행사하기위해 주위공간을 적합하게 변형시킨 것이 전기장이다.
물리학의 발전
1845년 주변 공간에 자기장이라는 이름을 붙이고 이 선들의 상호 작용으로 전자기 현상을 설명하였다. 패러데이는 정규 학교 교육을 받지 못했기 때문에 전자기 현상에 대한 자신의 이해를 엄밀한 수학적 형태로 나타내지는 못했다. 그러나 그는 전자기 현상의 본질을 꿰뚫는 통찰력을 갖고 있었다.
자기장
1882년, 니콜라 테슬라는 처음으로 회전 자기장의 개념을 창안했고, 1885년에는 갈릴레오 페라리스(Galileo Ferraris)에 의해 독립적으로 회전 자기장의 개념이 연구되었다. 1888년, 테슬라는 자신의 작업을 통해 미국특허 381968번을 취득했고 같은 해 페라리스는 자신의 연구업적을 토리노의 왕립아카데미에 논문으로 제출했다.
벡터 퍼텐셜
벡터 퍼텐셜()은 자기장에 대하여 정의되는 위치 함수이다. 이를 공간에 대하여 회전 미분하면 자기장이 얻어진다. 즉, 그 회전이 자기장인 벡터장이다. 전기장의 퍼텐셜인 전위에 대응되는 값으로, 벡터 퍼텐셜과 전위는 상대성 이론에서 전자기 퍼텐셜 사차원 벡터를 이룬다. 기호는 라틴 대문자 A. 국제 단위는 테슬라 미터 (T · m) 또는 웨버 매 미터 (Wb/m)이다.
자기장
나침반에 써있는 N극은 지구의 N극이 아니라 북쪽(North)을 가리키게 설계되어 있다. 즉, 자석의 "N극"은 엄밀히 말해 "북극을 향하는 극()"이다. 따라서 지구의 남극은 N극이고 북극은 S극이 된다. 자기력선은 자석의 N극에서 나와 S극으로 들어가므로, 실제 지구의 자기력선은 남극에서 나와 북극으로 들어가게 된다.
자기저항효과
자기저항 효과(Magnetoresistance Effect)는 금속 혹은 반도체에 자기장이 인가 되었을 때 전기 저항이 변화하는 효과를 말한다. 자기장에 의한 전기저항이 약한경우 전기저항의 증가량은 약한 자기장 세기의 제곱에 비례한다. 자기 저항 효과에는 2가지 효과로 나눌 수 있는데, 자기장의 방향에 대한 전류의 방향이 수직일 경우 이를 가로효과, 평행인 경우를 세로효과라고 한다. 자기 저항 효과는 1883년 영국의 L.켈빈에 의해 발견되었다
G-상수
외부 자기장이 존재할 경우 자기장에 의해 수소 원자의 에너지 준위가 영향을 받게 된다. 스핀-궤도 상호작용에 의해 n=2에서 n=1로 가는 가능한 전위는 다음과 같다.
만약 외부 자기장이 존재한다면 이 준위들은 서로 갈라지게 된다. 자기장과 자기 모멘트간의 상호작용에 의한 위치 에너지는 다음과 같다.
B의 방향을 z라 하면 formula_12 가 된다. 또한 각 에너지 준위에 따른 "g"-상수는 다음과 같다.
행성간 자기장
행성간 자기장 (, IMF) 는 태양계의 행성중에 태양풍에의해 운반되는 태양의 자기장을 위한 용어이다.
플라스마
플라스마를 유체로 근사할 수 있는 다른 이유는 자기장 때문이다. 자기장이 존재할 경우 자기장이 입자 사이 충돌과 비슷한 효과를 만들어낸다. 전기장이 존재한다면 입자들은 가속을 하게 된다. 만약 입자가 충돌을 하게 되면 전기장 크기에 비례하는 종단 속력을 갖게 될 것이다. 자기장이 존재하는 경우에도 플라스마가 회전을 하게 만들어 일정한 흐름을 만들어 낸다. 이런 원인으로 실제로 충돌이 없는 플라스마도 충돌을 하는 유체와 비슷한 운동을 한다. 물론 자기장에 나란한 방향으로는 입자들이 자유롭게 움직인다. 이런 경우에는 유체로 근사가 힘들다. 따라서 자기장과 수직한 경우엔 유체 이론이 좋은 근사가 된다.
자기장
이 식에서 전류의 벡터 formula_27는 전류의 스칼라값 formula_28의 크기를 갖고, 도선에서 전류가 흐르는 방향으로 주어진다.
보어-판레이우언 정리
하지만 자기장은 위치 에너지에 전혀 기여하지 않는다. 전하 formula_8의 속도가 formula_9인 입자에 가해지는 로런츠 힘은
으로 나타난다. 여기서 formula_11는 전기장이고, formula_12는 자기장이다. 이 식에서 일률을 구해보면 formula_13가 되는데, 이 식에서 일률은 자기장 formula_12와 무관하다는 것을 알 수 있다. 그러므로 에너지는 자기장에 영향을 받지 않고, 따라서 입자 운동의 분포 역시 자기장에 영향을 받지 않는다.
교류전동기
교류전동기는 교류(AC)가 구동하는 전동기이다. 교류전동기는 일반적으로 회전 자기장을 생성하기 위해 교류가 공급되는 코일이 있는 바깥쪽 고정자와 출력축에 부착된 내부 회전자를 포함하는 2개의 기본 부품으로 구성된 회전 자계이다. 회전자 자기장은 영구 자석, 자기 저항 돌출부, 직류 또는 교류 전기 권선이 생성할수 있다.
자기장
총 자기장은 각각의 전하가 만드는 자기장의 합으로 계산할 수 있다. 점전하가 만드는 자기장은 다음과 같다.
장 (물리학)
장의 도입은 힘과 물질에 대한 고찰에서부터 시작되었다. 보스코비치(Ruđer Bošković ,1711-1787)는 힘과 물질의 개념을 분리 할 필요가 없으며, 궁극적인 물질인 원자는 힘의 중심으로써 작용하는 위치를 나타내는 한 점에 불과하다고 주장하였다. 그는 한 물체와 그 물체에 힘을 작용하는 다른 물체 사이의 공간은, 힘을 전달하는 어떠한 것으로 채워져 있다고 보았다. 그는 이것을 장(場, field)이라고 불렀다.
이어 패러데이는 전기와 자기를 연구하면서 장이라는 개념을 역선(力繕)을 도입함으로써 시각적으로 이해하기 쉽게 만들었다.역선은 공간상 각 지점에서의 힘의 방향을 나타내고, 역선의 상대적인 수는 힘의 세기를 나타내었다. 패러데이의 역선은 공간의 물리학적 특성을 명쾌하게 보여주었으며, 하나의 입자에서보다 복잡한 입자의 배열, 혹은 전자기의 각종 현상에 대한 직관적인 이해를 가능하게 했다. 장의 개념은 물질의 인력과 척력을 뛰어 넘어 훨씬 복잡한 힘의 개념인 전기력과 자기력에서 보다 분명해졌다.
항성
별의 자기장은 내부의 대류 순환 작용을 통하여 발생한다. 다이너모 과정과 유사한 플라즈마 전도 작용을 통해 항성은 별 전체에 걸쳐서 자기장을 형성한다. 자기장의 세기는 별의 질량 및 화학적 조성에 따라 다르며 표면에서의 자기 활동량은 항성의 자전 속도에 따라 달라진다. 이와 같은 표면 활동을 통해 흑점이 생겨나며 이는 강한 자기장이 발생하는 지역으로 주변보다 온도가 낮다. 코로나 루프는 활성화된 표면 영역에서 코로나 영역으로 활 모양처럼 솟구쳐 오르는 자기장이다. 항성 플레어는 고에너지 입자들의 폭발로, 앞과 동일한 자기 활동 때문에 생겨나는 현상이다.
한스 크리스티안 외르스테드
외르스테드는 그 현상에 대해 어떠한 만족스러운 설명도 하지 않았고, 수학적 방식으로도 표현하려 하지 않았다. 그러나 3개월 후에 그 현상에 대해 집중하여 조사하였다. 그리고 그는 전선을 통해 흐르는 전류가 자기장을 만든다는 것을 증명하고 결과물을 출판하였다.
자기장
여기서 formula_47는 부피, formula_48는 미소부피를 의미한다.
자기 코어 메모리
자기 코어 메모리(Magnetic-core memory)는 초기 형태의 임의 접근 컴퓨터 메모리이다. 조그마한 자기 세라믹 링, 코어를 사용하며 자기장으로 정보를 저장한다. 전원을 꺼도 내용이 사라지지 않는다. 이러한 메모리를 코어 메모리라고도 부른다.
장 (물리학)
고전 역학에 의한 장 이론에 기반한 장 중 하나의 예로 전기장을 들 수 있다. 전기장은 중력장이 임의의 질량체에 의해 형성되는 것과 비슷하게, 임의의 전하를 띈 물질에 의해서 형성이 된다. 이 또한 단위 전하가 받는 힘, E=F/q으로 기술 될 수 있다. 이 때의 전기장을 만드는 전하 q를 실험 전하라 부른다. 임의의 공간에 두 전하 q, Q가 있다고 하면 두 전하에 의해 형성되는 전기력은
상자성
상자성(常磁性, )은 외부의 자기장이 있으면 자기적 성질을 가지지만, 외부의 자기장이 사라지면 다시 자기적 성질을 잃는 성질이다. 이는 자기장이 다시 사라져도 자성이 유지되는 강자성과는 다른 성질이다. 즉, 상자성을 띠는 물질은 자기장에 끌리며 상대적인 자기 투자율이 1보다 크다. (혹은 양의 자화율을 가진다). 외부 자기장이 인가되면 물질 내의 자기들이 일시적으로 재배치되므로 이때 발생한 인력은 자기장의 세기가 약할 때는 선형이다. 또한 강자성과는 다르게, 상자성은 외부에서 인가된 자기장이 제거되면 어떤 자계도 지니지 않는다. 왜냐하면 열적 움직임이 외부 자기장이 없을 때에는 스핀을 임의적으로 배향되도록 유발하기 때문이다. 따라서 전체 자기장은 인가된 자기장이 제거되어 0이 되더라도 아주 작은 정도의 자화만이 생기는데, 이는 전체 입자들 중 극소수 입자들의 스핀만이 자기장에 의해 정해짐을 의미한다. 이 fraction은 자기장의 세기에 비례하고 이것은 자기장 세기와 자화도의 선형의 의존성을 설명해 준다.
자기장
이렇게 주어진 극에 대한 약속은 비오-사바르 법칙에 나오는 부호 약속, 전하의 부호 약속 등과 마찬가지로 관습적이다.
고지자기학
지구의 자기장은 자기북극과 자기남극을 가지고 있다. 나침반 바늘이 지구의 자기력선에 나란히 놓여 자극을 가리키는데, 이와 유사하게 어떤 암석에는 나침반 바늘과 같은 광물을 포함하게 된다. 자성광물(예, 자철석, 적철석 등) 포함한 암석은 퀴리온도 이상으로 가열되면 자성을 잃어버리게 된다. 그런 뒤, 퀴리온도 아래로 냉각되면 그 당시의 지구 자기장 방향으로 자화되는데, 냉각된 암석은 다시 재가열되지 않는 한 자화 방향은 변하지 않는다. 따라서 암석이 움직이더라도 원래 자화된 방향을 유지하기 때문에 암석은 형성될 당시의 자극의 위치를 기억하고 있다고 볼 수 있다. 이런 경우 고지자기 또는 자기화석을 가지고 있다고 말한다. 따라서 고지자기 연구는 대륙이동설과 해저확장설의 근거가 되는 하나의 증거가 된다.
에너지 밀도
전기장과 자기장은 에너지를 저장한다.
전자기학 활용 사례의 이론적 고찰
오늘날 대부분의 시설이 전자기기로 이루어져있는 만큼, EMP탄은 현대 전쟁에서 굉장히 치명적인 무기로 작용할 수 있다. 이에 대비하기 위하여 EMP를 차단할 수 있는 방호시설에 관한 연구도 활발하게 진행되고 있다. EMP를 차폐시키기 위해서는 외부에서 전자기장이 존재하여도 내부의 전자기장이 0이 되어야한다. 전기장의 경우, 정전기적 평형 상태의 도체는 도체 내부에서 전기장이 0이므로 쉽게 차폐가 가능하지만, 자기장의 경우 차폐가 조금 복잡하다. 따라서 간단히 반지름이 안쪽 반지름이 a이고 바깥쪽 지름이 b인 구 껍질의 외부에 균일한 자기장, formula_24가 존재할 때, 내부의 자기장을 구할 것이다.
태양 주기
태양의 자기장은 태양 대기와 바깥 층을 모두 코로나를 통하는 방식으로 태양풍으로 내보낸다. 그것의 시간과 공간에 따른 변화는 총체적으로 태양 활동이라고 알려진 현상의 장본인이다. 태양 활동의 모든 것이 태양 자기장 주기에 따라 강하게 변동한다. 왜냐하면, 후자가 전자에 대하여 에너지원과 동력원의 역할을 하기 때문이다.
자기장
만약 전하가 일정한 속도로 움직이고 있다면, 비오-사바르 법칙을 통해 이 식을 다음과 같이 전개할 수 있다.벡터 미적분학을 사용하면 자기장의 생성과정을 수학적으로 간단하고 아름답게 표현할 수 있다. 진공에서,첫 번째 방정식은 앙페르 회로 법칙으로 알려진 법칙을 맥스웰이 수정한 것이다. 이 식의 두 번째 항이 바로 맥스웰이 수정한 부분인데, 정적 계(static system)나 준정적 계(quasi-static system)에서는 0이 되어 앙페르의 회로법칙과 일치하게 된다. 두 번째 방정식은 자기홀극이 존재하지 않음을 수학적으로 나타낸 식이다. 이들은 맥스웰 방정식에 포함되며, 여기서 사용된 표기법은 올리버 헤비사이드가 사용한 것이다.
행성간 자기장
태양풍이 플라즈마이기 때문에 단순한 가스라기보다는 플라즈마의 특성을 지닌다. 예를 들어 그것은 매우 전기적으로 전도적이며 그리하여 태양에서온 자기장은 바람과 같이 운반된다. 바람의 동적인 압력은 태양계의 대부분의 자기압력에 지배적이다. 그리하여 자기장은 외향 움직임과 태양의 회전의 조합에의해 파커나선으로 당겨진다.
지자기
지구의 과거 자기장 연구는 고지자기학으로 알려져 있다. 지구 자기장의 극성은 화성암에 기록되고, 따라서 자기장의 역전은 해저가 뻗어나가는 중앙 해령을 중심으로 ‘줄무늬’에 의해 검출되는데, 이는 대륙의 과거 움직임도 추적해나갈 수 있다.
전기장
또한 일반적으론, 공간상의 한 점의 전기장의 크기는 그 지점에 단위전하(+1 C)을 놓았을 때 그 전하가 받는 전기력으로 정의한다. 따라서 단위는 / 이며, 단위는 위와 동일하게 /이다.
장 (물리학)
처음에는 개념적이었던 장은 계속된 연구에 의해 실제성을 띄게 되었다. 초기, 패러데이는 역선의 이론을 더 진행시켜 역선 다발을 자력관이라 불렀다. 그리고 각 역관은 고무줄과 같이 수축하려고 하는 장력이 작용하기 때문에 자력관 끼리는 서로 팽창하려는 힘을 미친다고 가정하였다. 맥스웰은 패러데이의 장의 개념이 중요한 물리적 의미를 지니고 있음을 깨닫고 전자기장에 대해 "에테르의 소용돌이와 의역학적인 모델"을 제시하였다. 그러나 그는 이 모델을 진정한 물리적 존재가 아니라 일시적인 해설 도구로 생각하였다.그는 모델을 통해 전류와 전기변위에 대한 이론적 유도를 하였고 이것들의 개념을 구체화 하였다. 그리고 1864년 맥스웰은 전자기장 방정식에 도달하게 되었다. 맥스웰의 방정식을 풀면 장과의 상호작용에 의해 전기장과 자기장의 변화는 파동이 되어 공간을 진행된다는 것이 유도된다. 이렇게 진동하는 파를 전자기파라 하며 그 속도가 이론적으로 빛의 속도와 일치함을 보였다. 그리고 빛도 전자기파의 일종이라는 빛의 전자파설에 도달하게 되었다. 그리고 이 가설이 점차 증명되면서, 장의 개념은 설명을 위한 수학적 개념에서 물리학적으로‘존재하는’개념으로 바뀌게 된다.
전자석
전자석(電磁石)은 전류가 흐르는 동안 자기장이 형성되는 자석이다. 전류가 흐르지 않으면 자기장이 사라진다.
자기
그 뒤, 자기 현상에 대한 연구는 더욱 활발해져 더욱 구체적이고 정량적인 이론들이 나타나기 시작하였다. 이 시기에는 자기 현상이 어떤 가상의 자기 유체 ()로 인한 것이라는 가설이 유망하였으나, 19세기에 와서 자기장은 전류의 흐름에 의해서 생기게 된다는 앙드레마리 앙페르의 발견을 토대로 마이클 패러데이는 자기 유체의 존재를 부정하였고, 이후 이 가설은 곧 잊혀졌다.
자기장
국제단위계에서, 자속 밀도 formula_3의 단위는 테슬라(T)이고, 자계 강도 formula_2의 단위는 암페어 퍼미터(A/m)이다. CGS 단위계에서, formula_3의 단위는 가우스(G)이고, formula_2의 단위는 에르스텟(Oe)이다.
가니메데 (위성)
가니메데는 태양계에서 자체 자기장이 있는 유일한 위성으로, 액체 핵의 대류 현상으로 발생하는 것으로 추정하고 있다. 약한 자기장은 목성의 커다란 자기장에 묻혀 장선의 요동으로 표시된다. 또한, 미량의 수소가 대기에 존재하며, 아주 옅은 산소 대기층이 있다. 이 안에는 O(산소 원자), O(산소 분자), O (오존)이 있을 것으로 추정된다. 대기권에 전리층이 존재하는지의 여부는 확인되지 않았다.
행성간 자기장
지구와 태양 싸이클에 의존하여 자기장은 안쪽 또는 바깥쪽으로 나선운동을 한다. 자기장은 태양권의 북과 남부에서 나선의 같은 형상을 따른다. 그러나 장의 방향은 반대이다.
목성
목성의 자기장은 적도에서 4.2 가우스(0.42 mT), 극에서 10~14 가우스(1.0 1.4 mT)에 이르기 때문에 지구의 자기장보다 14 배나 강하며, 태양계에서 흑점을 제외하고 가장 강력하다. 이러한 자기장은 액상 금속성 수소핵 속 물질들의 소용돌이 운동으로 인한 맴돌이 전류에 의해 발생하는 것으로 여겨진다. 목성의 위성인 이오의 화산활동으로 대량의 이산화황이 방출되면서 위성의 궤도를 따라 기체 토러스가 만들어지는데, 이 기체는 목성의 자기권에서 이온화되어 황이온과 산소이온이 된다. 이들은 목성의 대기에서 기원한 수소이온과 함께 목성의 적도면에 플라스마판(plasma sheet)을 형성한다. 판 속의 플라스마는 목성에 대해 반대로 회전하기 때문에 쌍극자 자기장을 자기원반의 자기장으로 변형시킨다. 플라스마판 속의 전자는 강력한 전파를 방출하여 0.6~30 MHz 범위에서 폭발을 일으킨다.
중력장
중력장(重力場, )은 중력의 존재를 설명하기 위한 물리학적 모형이다. 피에르시몽 라플라스는 중력을 복사장(radiation field)이나 유체와 비슷하게 다루는 모형을 수립하려 시도하였고, 19세기의 이러한 시도 이후 중력은 역학에서 뉴턴 식의 단순한 '질점들 사이의 인력' 모형보다는 장의 개념으로 다루어지게 되었다.
가우스 (단위)
1932년 이전까지는 가우스가 현재는 에르스텟으로 불리는 자기장의 세기를 나타내는 단위로도 쓰였었다. 이 용어 변경은 자기유도와 자기장의 세기를 구분하기 위해 도입되었다.
자기장
자기장을 변화시키면 패러데이 전자기 유도 법칙에 의해 전기장과 전류를 유도할 수 있다. 이 전류는 고정된 자기장 속을 운동하는 도체에서도 유도될 수 있다. 이 현상이 바로 발전기와 전동기의 원리다.
항성 자기장
항성 자기장(恒星 磁氣場)은 행성 자기장과 비슷하게 자기장이 생기는 것이다.
비장
비장(脾臟) 또는 지라는 복강 왼쪽 뒷부분의 횡격막 바로 밑에 있는, 무게 약 100g 정도의 기관으로, 복강 동맥의 가지가 유입되어 비장에서 나오는 정맥은 문맥을 형성하여 지라로 들어간다. 여기서는 주로 적혈구를 파괴 처리 작용이 행해지는데, 림프구가 새로 만들어지기도 한다.
양자장론
고전역학에서는 입자 간의 상호작용을 마당으로 설명할 수 있다. 즉, 전자기력은 전자기장, 중력은 중력장으로 설명할 수 있다. 이는 양자장론에서도 마찬가지이다. 그러나 양자장론에서는 모든 장은 입자로 재해석할 수 있다. 즉, 입자 사이의 힘을 입자로 매개한다고 볼 수 있다. 예를 들어, 전자기장에 해당하는 입자는 광자고, 중력장에 해당하는 입자는 중력자다. 이로써 17세기부터 비롯된 빛이 입자인지 아니면 파동인지에 대한 문제에 대해 두 해석이 모두 맞다고 답할 수 있게 되었다.
자기화
전자기학에서, 자기화(磁氣化, )는 자기적 성질을 가진 물질이 가진 자기 모멘트 밀도 벡터장이다. 기호는 formula_1. 단위는 암페어 퍼 미터 (A/m).
장 (물리학)
자기장의 크기 또한 한 종류의 힘에서 도출해낼 수 있는데, 그 힘을 로런츠 힘이라 하고 아래와 같이 표현한다.
전자석
앙페르 회로 법칙에서 나타내는 바와 같이 직류가 흐르는 전선은 주변에 자기장이 형성된다. 이때 형성되는 자기장의 세기는 전류의 세기에 비례한다.
자기권
지구의 적도에 걸쳐서, 자기장선은 거의 수평이되고, 그다음 고위도로 다시 연결되기위해 돌아간다. 그러나 고위도에서, 자기장은 태양풍과 태양풍의 태양자기장에 의해 크게 왜곡된다. 지구의 햇빛이 비추는면(dayside)에서 자기장은 태양풍에 의해서 약 65,000km(40,000마일)의 거리까지 상당히 압축된다. 지구의 bow shock는 약 17km(11마일)의 두께를 가지고 지구로부터 약 90,000km(56,000마일)에 위치한다. 자기권계면은 지구의 표면에 떨어서 수백km 떨어진거리에 존재한다. 지구의 자기권계면은 태양풍으로부터의 입자가 지구로 들어올 수 있게 하는 '체'로 비교되었다. 자기권에서 다른속도로 거대한 플라즈마의 소용돌이가 자기권의 가장자리를 따라서 이동할 때 Kelvin-Helmholtz 불안정성들이 일어난다. 이것은 자기장선이 끊어지고 재연결되는 것 같은 자기 재접속(magnetic reconnection)을 야기시키고, 태양풍입자들은 자기권으로 들어갈수있게 한다. 지구의 빛이 비추지 않는면(nightside)에서, 자기장은 6,300,000km(3,900,000마일)이상의 길이에 지자기꼬리로 연장한다. 지구의 지자기꼬리는 극지방 오로라의 주된 요소이다. 또한, NASA의 과학자들은 지구의 지자기꼬리는 dayside와 nightside의 전위차를 만듦으로써 달에 "먼지 폭풍"을 일으킬 수 있다고 제안 또는 "추측"했다.
수성
작은 크기와 59일에 이르는 느린 자전 속도에도 불구하고, 수성은 강한 영향을 주는 자기장을 가지고 있다. 매리너 10호의 수성 자기장 크기 측정 결과 지구의 1.1 %임이 밝혀졌다. 수성 적도에서 자기장의 세기는 300T이다.
수성은 지구처럼 쌍극자 자기권을 가지고있다.
그러나, 지구와는 다르게 수성의 양극은 수성의 회전축과 나란하다.
매리너 10호와 메신저가 측정한 결과 자기장의 형태와 세기가 일정하다는 것이 밝혀졌다.
자기장은 다이너모 효과를 통해 발생하는데, 어느 정도는 지구 자기장의 원인과 비슷하다.
이 다이너모 효과로 행성의 핵은 회전하게 된다. 특히, 수성의 큰 이심율로 인한 강한 기조력은 다이너모 효과를 일으키는데 필요한 핵을 액체 상태로 유지시킨다.
장 (물리학)
전자기장의 기본적인 구성요소는 광자라고 알려져 있다. 광자는 전자기력을 매개로 하는 입자이기 때문에 흔히 전자기력의 전령입자(messenger particle)이라 불린다. 상대론적 관점으로, 전기장과 자기장은 관찰계에 따라 다르게 보이는 상대적인 관계일뿐, 둘은 같은 현상이라 일컫는다.
자기 모멘트
자기 모멘트(磁氣moment, )는 전자기학에서 물체가 자기장에 반응하여 돌림힘을 받는 정도를 나타내는 벡터 물리량이다. '자기 쌍극자 모멘트'()라고도 부른다. 기호는 formula_1 또는 formula_2이고, 국제 단위는 줄 매 테슬라 (J/T)다. 자기 모멘트는 전기 쌍극자 모멘트에 대응되는 개념이다.
월터 버그
버그는 공간에 있는 항성과 행성, 혜성 그리고 소행성이 태양의 자기장에 영향을 준다고 주장했다.: 그 결과 그 자기장은 지구 자기장에도 공통과 개인의 전기적, 화학적, 생물학적 체계에 영향을 끼친다고 한다. 그는 인간의 생명공명 체계는 특정한 우주공명의 주기에 맞춰질 수 있다고도 했다. 그는 차트를 구성할 때 지자기의 패턴을 형성하는 x와 y 좌표에 x 차원을 추가해서 사용했다. 그 z 좌표는 힘의 강도 변화 값에 해당한다.
자기 홀극
자기 홀극(磁氣홀極, )은 홀극의 꼴의 자기장을 만드는 가상의 물질 또는 입자이다.
쉽게 말해, 항상 N극과 S극을 가지고 있는 자석과 달리 N극 혹은 S극만을 가지고 있는 자석이라 생각할 수 있다. 좀 더 전문적인 용어로는, 전하가 존재하듯 자기 홀극은 일종의 자하()를 지닌다. 고전적 개념으로 설명하면, 자기장은 전기장과 같이 한 점에서 끝나지 않고 항상 닫힌 고리를 만드는데, 그때 한 점에서 끝나는 자기장을 형성하는 존재가 바로 자기 홀극이다. 아직 아무도 자기 홀극을 실험적으로 발견하지 못했지만, 대부분의 대통일 이론은 자기 홀극의 존재를 예측한다. 만약 자기 홀극이 존재하면, 전하의 양자화를 설명할 수 있다.
자기 홀극
만약 자기장을 (매끄러운) 자기 퍼텐셜로 나타낼 수 있다면, 자기 홀극은 존재하지 않는다. 즉, 만약 자기장이
와 같은 꼴이라면, 벡터 미적분학 (또는 드람 코호몰로지)에 따라 자동적으로
으로 되어, 자기 홀극은 존재하지 않는다.
마그네타
마그네타는 10기가테슬라(10T)만큼의 매우 강한 자기장을 가지고 있다. 이는 인간이 만든 자기장보다 10만 배 강한 것이며,
지구를 둘러싸고 있는 자기장보다 1,000만 배 강하다. 2010년 현재, 마그네타는 우주에서 발견된 천체 중에서 자기장이 가장 강한 천체이다.
달의 자기장
다른 설은 달과 같은 공기가 없는 천체에서는 순간적인 자기장이 충돌 사건으로 생성될 수 있다는 것이다. 그러한 현상은 들어오는 자기장이 있을 때, 달 주위의 충돌에 의해 생성된 플라즈마 구름의 자유 팽창의 결과로 나타날 수 있다고 주장되었다.
자기권계면
행성 과학의 용어로 자기권계면은 지구 자기장의 외향 자기 압력이 플라즈마 태양풍에 의해 균형이 잡힌 위치이다. 대개의 태양 입자는 자기권계면의 양면에서 편향되는데 물이 뱃머리에 의해 편향되는 것과 흡사하다. 그러나 약간의 입자들은 자구 자기장내에 잡혀있고 방사성 벨트를 형성한다.
지구
지구에는 자기장이 존재한다. 이는 우주의 방사선을 막아줘 생명체의 존재를 가능하게 해준다. 그러나 이러한 자기장은 150년 동안 세기가 10%가량 감소하여 이는 대규모 지진·화산 활동, 기후변화, 동물들의 대량 멸종사건에 영향을 미치고 있으며, 자기장의 소멸로 대기를 잃은 화성과 같이 지구 또한 미래에 대기를 잃을 수 있다고 과학자들은 말하고있다
가니메데 (위성)
가니메데는 철이 풍부한 액체 핵을 가지고 있으며, 이로 인해 자기장이 존재한다는 것을 갈릴레오 호이 발견했다. 액체 철 핵에서 대류 현상이 일어나고, 이는 높은 전도성을 갖게 한다. 이것이 가장 자연스러운 자기장 발생 모델이다. 핵의 밀도는5.5–6 g/cm이고, 규산염 맨틀의 밀도는 3.4–3.6 g/cm이다. 이 핵의 반경은 최대 500 km일 수 있다. 가니메데의 핵 온도는 아마도 815–926 ℃일 것이고, 핵의 기압은 10G
Pa가 넘을 것이다.
자기장
이 값들은 투자율이 높은 매질 속에서 철이나 금속 합금 등의 강자성체 물질을 자기장 속에 넣으면 실험으로 확인할 수 있다.
자기권
자기권외피층(magnetosheath)은 bow shock와 자기권계면사이의 자기권영역이다. 이것은 자기권으로부터 작은양의 플라즈마를 포함하고 있지만,주로 충격을 받은 태양풍에 의해 형성된다. 이곳은 자기장의 방향과 크기가 불규칙하게 변화하는 높은 입자에너지 플럭스를 나타내는 영역이다. 이것은 효과적으로 "열중성자화(thermalization)"를 겪은 태양풍가스의 무리에 의해 야기된다. 태양풍의 흐름으로부터의 압력을 천체의 자기장의 베리어로 전송하는 쿠션같은 역할을 한다.
전자기학
전자기학(電磁氣學)은 전기와 자기 현상을 탐구하는 학문이다. 전기와 자기는 전자기장을 이룬다. 자기 현상은 이미 기원전 2000년 무렵 중국 문헌에 등장하며, 전기 역시 기원전 700년 무렵 고대 그리스 세계에 알려져 있었다. 그러나, 전기와 자기가 전자기력이라는 동일한 기본 상호작용에 의한 현상이라는 점은 19세기에 와서야 밝혀졌다.
자기 철심
자기 철심()은 높은 투자율을 갖는 강자성체의 하나로 변압기, 전동기, 인덕터 및 자기 조립 등과 같은 전기적, `전기전자 또는 자성 장치에서 자기장의 범위를 제한하기 위해 사용되는 장치이다. 이것은 철과 같은 강자성 물질이나 아철산염과 같은 강자성 화합물로 만들어진다. 주변 공기에 비해 상대적으로 높은 투자율은 자기 철심 재료 안에서 자기장선이 모일 수 있도록 해준다. 자기장은 주로 전류가 흐르는 자기 철심 주위의 철사의 코일에 의해 만들어진다. 자기 철심을 써서 코일의 자기장의 세기를 높이는 방법은 수 천가지나 존재한다.
솔레노이드
솔레노이드 안의 자기장은 에너지를 갖고 있다. 솔레노이드에 전류가 흐름으로써 발생된 모든 에너지는 솔레노이드 외부의 자기장이 0이기 때문에 솔레노이드 안에 존재하게 된다. 내부에 자기장이 균일하기 때문에 공간의 에너지 분포도 균일하다. 따라서 솔레노이드 안의 모든 공간은 동일한 에너지 밀도를 갖게 된다.
단면적 A인 무한한 길이의 솔레노이드 중 길이 formula_1인 부분을 살펴보면
전자기파
맥스웰 방정식에 따르면 공간적으로 변하는 전기장은 항상 시간에 따라 변하는 자기장과 관련이 있고, 마찬가지로 시간적으로 변하는 자기장도 공간에 따라 변하는 전기장과 관련이 있다. 전자기파에서 전기장의 변화는 한 방향의 자기장을 동반하며 그 반대도 성립한다. 둘 사이의 이런 관계는 둘 중 하나가 다른 것을 유도시키는 것이 아니라 시간과 공간처럼 둘의 변화는 동시에 일어나며 특수 상대성 이론에 깊게 관련이 있다. 사실 자기장은 전기장의 상대론적인 왜곡이라고 볼 수 있으며 둘의 관계는 시간과 공간의 변화에 대한 비유 그 이상일 수 있다. 둘은 함께 전자기파를 형성하며 이것은 공간으로 뻗어나가며 그 근원에는 영향을 끼치지 않는다. 이렇게 가속되는 전하에 의해 형성된 전자기파 원거리장은 공간을 통해 전달된다.
유도전동기
유도 전동기와 동기 전동기에서, 전동기의 고정자에 공급되는 교류 전력은 교류 진동에 맞춰서 회전 자기장을 생성한다. 동기 전동기의 회전자는 고정자 필드와 같은 속도로 회전하는 반면, 유도 전동기의 회전자는 고정자 필드보다 느린 속도로 회전한다. 따라서 유도 전동기 고정자의 자기장은 회전자에 대해서 변화하거나 회전한다. 이것은 유도 전동기의 회전자에 대향하는 전류를 유도하며, 실제로 전동기의 2차 권선은 외부 임피던스를 통해 단락되거나 닫힐 때 발생한다. 회전 자속은 회전자의 권선에 자기 선속을 유도한다. 그것은 변압기의 2차 권선에 유도된 전류와 유사한 방식으로 전류를 흐르게한다. 회전자 권선의 전류는 회전자에서 고정자 필드에 반응하는 자기장을 생성한다. 렌츠의 법칙으로 생성된 자기장의 방향은 회전자 권선을 통한 전류의 변화에 반대하는 것과 같다. 회전자 권선에서 유도 전류의 원인은 회전하는 고정자 자기장이다. 회전자 권선 전류의 변화에 맞서기 위해 회전자는 회전하는 고정자 자기장의 방향으로 회전하기 시작한다. 회전자는 유도 회전자 전류와 토크의 크기가 하중의 균형을 이룰때까지 가속화한다.
전자석
위의 식은 비선형 방정식인데 자기 코어의 투자율 μ이 자기장 B에 의해 변화하기 때문이다. 정확하게는 자기 코어의 투자율 μ은 자기장 B에 대해 이력 곡선을 나타낸다. 자기장의 크기를 알 수 없을 경우 방정식의 해는 수치 해석을 사용하여 근삿값을 구한다. 한편, 기자력이 자기 포화에 이르면 자기 코어 역시 포화되기 때문에, 포화 상태에 이른 자기 코어의 자력은 NI에 비례하게 된다. 자기 코어와 코일 사이의 간극이 무시할 수 있을 정도로 작은 경우 매 미터당 800 암페어-횟수 이상이면 이력 현상은 고려하지 않아도 좋을 정도로 미미하다.
다이너모 이론
운동학적 다이너모 이론의 가장 기능적인 특징은 속도장이 다이너모 동작을 할 수 있는지의 여부를 시험하는데 사용할 수 있다는 것이다. 작은 자기장에 특정 속도장을 적용함으로서 적용된 흐름에 따라 자기장이 증가하는 경향의 유무를 관찰을 통해 결정할 수 있다. 자기장이 증가하는 경우 그 계는 다이너모 동작이 가능하거나 다이너모인 계이나, 자기장이 증가하지 않으면 계를 간단히 비 다이너모라고 이야기한다.
항성 자전
자전 속도가 미묘하게 다른 곳끼리 맞닿은 지대는 항성 자기장을 만드는 다이너모 과정이 효율적으로 일어나는 장소로 생각된다. 항성의 자전 분포와 항성 자기장 사이에는 속도 분포를 바꾸면서 자기 에너지를 운동 에너지로 바꾸는, 복잡한 상호 작용이 일어난다.
태양 주기
흑점은 어디에서든지 며칠에서 몇 달 동안 존재할 수도 있다. 그러나 흑점은 결국 소멸하며 이는 태양 광구에 자기장 선속을 만들어낸다. 이러한 자기장은 분산되고, 난류성 대류와 큰 규모의 흐름에 의해서 마구 섞인다. 이러한 수송 메커니즘은 고위도 지역에서 자화되어 사라진 산물들이 자기장 양극의 극성을 역전시키면서 쌓이게 만든다. (어떻게 파란 자기장과 노란 자기장이 위 그림에서 역전되는지 참조)
기전력
유도기전력(유도전압)은 전자기유도를 위하여 자기력을 전기력으로 바꾸어(만들어) 주는 전압이므로, 자기장과 전기장이 교류할때 발생하게 됩니다. 자기장이 강하고 빠르게 변화할수록 유도기전력도 강한데, 자기장의 변화가 없다면 유도기전력은 최소(0)이 됩니다. 다만 유도기전력은 자기장의 세기(자기력선속)와 90˚ 늦은 위상차를 가지며 나타납니다.
마그네타
10기가테슬라(10T)의 자기장은 지구에서 접하는 자기장에 비하여 매우 크다. 지구는 30 ~ 60마이크로테슬라의 지자기장을 가지고 있으며, 네오디뮴 자석은 대략 1테슬라의 자기장과 4.0×10J/m의 자기 에너지 밀도를 가지고 있다. 10기가테슬라의 자기장을 봤을 때, 4.0×10J/m의 에너지 밀도는 E/c에 의하여 납보다 10,000배 높은 수치다. 마그네타의 자기장은 1,000 km의 거리에서 조차도 치명적이며, 물의 반자성 때문에 조직을 찢는다. 지구와 달 사이의 절반에 해당하는 거리에 마그네타가 있다면 지구 상의 모든 신용카드 정보를 제거 할 수 있다.
자기장
여기서는 현대적 용법을 따라 formula_3장을 "자기장"이라 부르도록 한다.
다이너모 이론
다이너모 이론은 물리학 용어로, 지구나 항성과 같은 천체들이 자기장을 형성하는 메커니즘을 설명하는 이론이다. 이 이론은 회전, 대류 및 전기 전도성 유체를 통하여 어떻게 천문학적 시간 에 걸쳐 자기장을 유지할 수 있는지를 설명한다.
패러데이 역설
실험 2와 3의 역설은 전자기장이 일종의 운동 속도를 지니는 것으로 잘못 가정했기 때문에 나타난 결과이다. 전기장과 자기장은 좌표계에 관계없이 항상 빛의 속도로 전파되며, 다만, 운동하는 관찰자의 속도에 따라 공간 상에 펼쳐진 모습이 달라진다. 즉, 일정한 속도로 회전하는 영구자석이 만드는 자기장을 실험실 좌표계에서 관찰하면 길이수축과 시간지연의 효과로 변화한 영구자석의 자화와 전하 밀도가 만드는 전자기장이 보이는 것일 뿐, 전자기장이 실험실 좌표계를 기준으로 회전하는 것은 아니다. 특별히 축 대칭의 균일한 자기장을 만드는 자석이 일정한 각속도로 회전하는 경우, 실험실 좌표계에서 보이는 자기장은 시간에 따라 항상 일정하다. 따라서 실험 2의 경우는 일정한 자기장 속에 정지한 원판을 놓은 것과 동일한 상황이며 실험 3의 경우는 실험 1의 상황과 유사한 상황이므로 두 실험 결과는 패러데이의 법칙을 위배하지 않는다.
마이클 패러데이
편광에 미치는 자기장의 영향에 대해 발견한 후, 패러데이는 자기력선이 실제로 물리적인 의미를 가지고 있다고 믿었다. 반자성체의 특이한 현상을 기존의 자극으로 설명하기 힘들었고, 이것이 패러데이와 자성은 전극의 성질이라고 믿고 있었던 빌헬름 에두아르트 베버와 논쟁하게 되었다. 1848년 패러데이는 자석의 영향으로 인한 반자성체의 변화를 조사하기 위한 실험을 시작하였다. 그는 결정이 일정한 방향으로 정렬되어있다는 것을 발견하였고, 이 현상은 기존의 척력과 인력의 개념으로 설명할 수 없다는 것을 깨달았다. 이 실험 보고서에서 패러데이는 처음으로 위치에 따라 두 개의 자극으로부터 받는 영향이 달라진다는 개념의 자기장을 언급하였다.
가니메데 (위성)
가니메데는 완전히 차별화된 금속의 핵을 가지고 있다는 것을 감안하여, 고유한 자기권은 아마도 지구와 유사한 방식으로 형성되는 것으로 추측한다. 이 방식은 위성 내부에서 전도성 물체가 움직이면서 형성되었다는 것이다. 가니메데 주위에서 검출되는 자기장은 핵의 대류 조성으로 만들기 쉬우며, 자기장은 발전기 작용 또는 마그네토 운반 작용으로 형성되는 것으로 추측한다.
자기 선속
자기 선속(磁氣線束, magnetic flux) 또는 자기 다발 또는 자기력선속(磁氣力線束) 또는 자속(磁束)은 어떤 가상의 곡면에 작용하는 총 자기력을 나타내는 물리량이며, 곡면의 넓이와 곡면에 대하여 수직인 자기장 성분의 곱이다. 그 국제 단위는 웨버(Wb)이고, 통상적인 기호는 그리스 대문자 또는 이다.
자기
자기(magnetism, 磁氣)는 자석(magnet)이 주위 물체들에게 어떤 영향을 미치는 것을 말한다. 여기서 말하는 영향이란, '자석이 갖고있는 힘'을 주위에게 행사함으로써 나타나는 현상이다. 이를테면, 어떤 자석의 N극이 자신이 갖고있는 힘을 통해 주위에 있는 다른 자석의 S극부분을 자신이 영역 가까이 끌어들이려는 현상과 같이 말이다.
자기를 좀 더 효율적이고 자세하게 설명하기위해선, 당연히 위에서 수차례 거론한 '자석이 갖고있는 힘'을 따로 정의하는 것은 필요한 일이다. 이러한 '자석이 갖고 있는 힘'은 자기력이라 정의한다.
자기장
비록 우리가 자기력선을 그릴 때는 화살표 모양으로 그리지만, 그 화살표는 어떠한 실제 운동이나 흐름을 묘사하는 것이 아님을 명심해야 한다. 이는 자기장이 벡터가 아니라는 사실과 관련되어 있다. 엄밀히 말해서 자기장은 벡터가 아니라 유사벡터이다. 이 구분은 대칭성을 이용해 자기장 문제를 분석할 때 중요한데, formula_1가 두 벡터의 벡터곱과 관련되어 있다는 사실(로런츠 힘)로부터 알 수 있다.
태양풍
성간매질내의 플라스마는 지구궤도에서의 태양 자기장이 100 배나 세어지게 하는 원인이다. 만약 우주가 진공이라면, 태양의 10 테슬라 자기장은 지구 궤도에서는 10 테슬라 정도일 것이다. 하지만, 위성 관측에 따르면, 이러한 예상보다 100배는 더 센 10 정도이다. 자기유체역학 이론은 자기장 내부의 전도 유체(예, 행성간매질)가 전류를 형성하고, 이 전류는 다시 자기장을 형성하며, 이러한 면에서 자기유체역학 발전기와 유사하다.
솔레노이드
솔레노이드에서 앙페르의 법칙을 쓰면 한 단면적에서 어느 점에서나 자기장이 일정하다는 것을 보일 수 있다. 무한한 도선에선 솔레노이드 어느 부분의 중심을 잡아도 자기장이 일정하므로 솔레노이드 모든 점에서 자기장이 균일하다.
옆의 그림에서 b의 앙페르 고리에서 앙페르의 법칙을 사용하면 직사각형의 윗변과 아랫변에서는 자기장의 방향과 적분 방향이 수직하므로 적분값이 0이고 오른쪽 변에서는 자기장이 0이므로 적분값이 0이다. 결과적으로 직사각형의 왼쪽 변의 길이를 formula_1라고 하면 앙페르의 법칙에 의해
formula_2
이다. 단, formula_3는 단위 길이당 감겨 있는 도선의 수이다.
지자기폭풍
태양풍은 태양으로부터 N또는 S의 극성을 지니고 있는 자기장을 가지고 온다. 만약 폭발적인 태양풍이 지구의 자기권과 접촉해서 이를 확대하거나, 혹은 태양풍이 남쪽 방향의 극성을 지니고 있다면, 지자기 폭풍을 예상할 수 있다. 남쪽 방향의 자기장은 태양측 지구 자기권계면의 자기 재결합을 유발하며, 자기 에너지 및 입자 에너지를 지구 자기권에 급격하게 분사한다.
플라스마
전하를 띤 입자가 궤도를 따라 운동하면 자기장을 생성하는데 이 자기장의 방향이 맨 처음 입자들에게 걸어줬던 자기장 formula_60와는 정반대 방향이다. 플라스마 입자들이 자기장을 줄여주는 효과를 나타내며, 이 때문에 플라스마는 반자성을 띤다.
자기 선속
자기 선속은 넓이와 자기장의 곱이므로, 그 단위는 넓이의 단위와 자기장의 단위의 곱이다. 국제단위계에서는 자기장의 단위가 테슬라이므로, 자기 선속의 국제 단위인 웨버는 다음과 같다.
CGS 단위계에서 자기 선속의 단위는 맥스웰(Mx)이다.
지자기
지자기장(地磁氣場, )은 지구의 내부로부터 태양풍과 만나는 곳까지 뻗어있는 자기장인데, 태양풍은 태양으로부터 방사되는 하전입자들의 흐름이다. 지구 표면에서의 규모 범위는 25 에서 65μT ( 0.25-0.65 가우스 ) 까지이다. 대략적으로 회전 축에 대하여 10 도의 각도로 기울어진 자기 쌍극자의 필드이다(지구의 중심에 해당 각도로 배치된 막대 자석처럼). 그러나 지구의 외핵에서 용융된 철 합금의 움직임에 의해 생성되기 때문에 ,막대 자석의 자기장과는 달리 지구의 자기장은 오랜시간에 걸쳐서 변화한다.
자기 저항
자기 저항( 또는 )은 자기력에 대하여 전기 저항과 유사한 물리량이며, 자기 회로 원소가 자기 위치 에너지를 저장하는 능력이다. 단위는 역 헨리(H) 또는 암페어 매 웨버(A/Wb)다.
전자기 차폐
자기장 차폐를 위해서는 일반적으로 높은 투자율을 가진 물질로 주위를 둘러싸는 방법을 이용한다. 이러한 물질은 전기장 차폐와 같이 자기장을 완전히 막을 수는 없지만 자기장을 자신의 쪽으로 끌어당겨 일부 자기력선이 원하는 공간 주위로 지나가게 한다.
위에 언급한 한계로 인해 솔레노이드나 헬름홀츠 코일을 이용하여 만든 자기장을 이용하여 차폐를 하기도 한다.
추가적으로, 초전도체의 마이스너 효과를 이용하여 자기장을 차폐할 수도 있다.
자기 부상
자기 부상(磁氣浮上, magnetic levitation, maglev)은 다른 지지대 없이 자기장 만으로 물체를 띄우는 방법이다.
자기장
만약 이 선형물질의 부피가 일정하다면 식을 더욱 간단하게 쓸 수 있다.
에너지로부터 나오는 힘은 formula_53이므로 위 식을 대입하면,
가우스 (단위)
국제단위계에서 자기장의 단위는 테슬라이며, 1 가우스는 10 테슬라와 같다.
태양풍
태양풍은 플라스마이므로, 일반 가스의 특성보다는 플라스마의 특성을 지닌다. 예를 들어, 태양풍은 전도체이며, 태양으로부터의 자력선을 가지고 온다. 태양풍의 압력은 대부분의 태양계 즉 태양권에서 자기압을 압도한다. 이러한 바깥쪽으로의 압력은 태양의 회전과 더불어 자기장이 아르키메데스 나선 형태(파커 나선)를 형성하도록 한다. 태양계의 북반구인지 남반구인지와 태양의 주기에 따라, 자기장 나선이 안쪽을 향하거나 바깥쪽을 향한다. 즉 자기장은 북반구와 남반구에서 동일한 나선 모양을 가지지만, 반대의 자기 방향을 띤다. 이 두 자기영역은 두 개의 전류판에 의해 나뉜다. 태양은 매 11년마다 자기장이 반대로 변하며 이에 따라 태양권 전류편의 모양이 바뀐다.
자기장
이것을 증명할 수 있는 쉬운 사고실험으로, 무한하고 평행한 두 개의 동일한 도선을 생각해보자. 두 도선에는 동일한 전하가 흐르고 있고, 이들은 서로에 대해 정지해 있으면서 동시에 관찰자 A에 대해서는 동일한 속도로 운동하고 있다. 여기서 두 도선 근처에서 도선과 동일한 속도로 운동하고 있는 또 다른 관찰자 B를 도입하자. 그리고 B가 도선 사이에 척력으로 작용하는 정전기력과 그에 따른 가속도를 측정했다고 하자. A가 측정할 때는 두 도선이 자신에 대해 일정한 속도로 운동하고 있으므로 길이 수축이 일어나게 되고, 이에 따라 두 도선 사이에 작용하는 가속도가 B가 측정한 가속도에 비해 작게 측정될 것이다. 이 감소한 가속도는 인력으로 보이게 되고, 이 인력은 고전전자기학에서 정전기력을 감소시키고 속도가 증가함에 따라 같이 증가하는 항에 해당한다. 이 가상적 힘의 크기는 고전전자기학에서 말하는 전자기력과 정확히 일치한다.
다이너모 이론
다이너모 이론이 동작하기 위해서는 3가지의 필수 요소들이 필요하며, 이들은 다음과 같다.
지구의 경우, 자기장은 외핵에서 일어나는 액체 상태의 철의 대류에 의해 유도되며 지속적으로 유지된다. 이 자기장 유도에 필요한 조건은 회전하는 유체로, 이는 지구의 자전으로 인한 코리올리 힘에 의해 일어나는 외핵의 회전 운동에 의해 제공된다. 코리올리 힘은 회전축과 정렬된 기둥(테일러 기둥 참조)에 유체 운동과 전류를 형성하는 경향이 있다.
자기장의 유도 및 생성은 다음의 유도 방정식에 의해 설명된다.
여기서 u는 속도, B는 자기장, "t" 는 시간, 은 전기전도성 과 투과성
자기장
맥스웰은 자신의 네 가지 방정식을 통해 전기와 자기를 합치는 데 많은 공헌을 했다. 하지만 맥스웰이 만든 체계에서도 전기와 자기는 각각 독립적인 다른 현상으로 존재한다. 하지만 실제로 전기장과 자기장은 전자기 (2차) 텐서라는 한 대상의 두 가지 모습으로, 알베르트 아인슈타인이 특수 상대성 이론을 사용하여 이를 입증했다. 이 이론에 따르면 한 관성계에 있는 관찰자가 자기력을 느낄 때 다른 관성계에 존재하는 관찰자는 전기력을 느낄 수도 있는 것이다. 따라서, 특수상대성이론을 적용하면 자기력은 운동하는 전하의 전기력에 불과함을 보일 수 있고, (특정 관찰자에 대해 상대적인) 운동과 정전기력에 대한 지식으로부터 자기력의 성질을 예측하는 것도 가능하다.