물리학 고2 전기와 자기

렌츠 법칙

유도 전류는 자기 선속 변화를 방해하는 방향으로 흐른다는 렌츠 법칙을 통해 에너지 보존과 연결한다.
유도 전류는 자신을 만들어 낸 자기 선속의 변화를 방해하는 방향으로 흐른다는 법칙입니다.
유도 전류는 '청개구리'입니다. 선속이 늘어나려 하면 줄이려 들고, 줄어들려 하면 붙잡아 두려 듭니다. 다만 방해할 뿐 막지는 못합니다 — 변화는 결국 일어납니다.

쉽게 말하면

전자기 유도로 전류가 생긴다는 것은 알았지만, 그 전류가 시계 방향인지 반시계 방향인지는 아직 정해지지 않았습니다. 렌츠 법칙이 그 방향을 정합니다.

규칙은 한 줄입니다. 유도 전류는 자기 선속의 변화를 방해하는 쪽으로 흐릅니다. 코일을 지나는 선속이 늘고 있다면, 유도 전류는 그 늘어나는 자기장을 상쇄하는 방향의 자기장을 만듭니다. 선속이 줄고 있다면, 사라지려는 자기장을 붙잡는 방향의 자기장을 만듭니다.

왜 하필 '방해'일까요? 반대라고 가정해 보면 답이 나옵니다. 만약 유도 전류가 변화를 '도와주는' 쪽으로 흐른다면, 자석을 코일에 살짝 밀어 넣는 순간 코일이 자석을 더 세게 끌어당기고, 그러면 선속이 더 빨리 늘고, 전류가 더 커지고… 아무 에너지도 넣지 않았는데 전류가 무한히 커집니다. 에너지 보존 법칙이 무너집니다. 그래서 자연은 반드시 '방해하는' 쪽을 고릅니다.

이 방해가 실제로 '힘'으로 나타난다는 점이 중요합니다. 코일에 자석을 밀어 넣으려 하면 밀어내는 힘이, 빼내려 하면 붙잡는 힘이 느껴집니다. 발전기를 돌릴 때 무겁게 느껴지는 것도 이 힘 때문이고, 우리가 그 힘을 이기며 한 일이 곧 전기 에너지가 됩니다. 렌츠 법칙은 결국 에너지 보존 법칙을 전자기 언어로 번역한 것입니다.

패러데이 법칙의 음(−)부호가 바로 이 렌츠 법칙입니다.

이렇게 나타납니다

  1. 예시 1
    코일에 N극을 밀어 넣을 때
    코일을 지나는 아래 방향 선속이 늘어납니다. 유도 전류는 이를 방해하려고 위 방향 자기장을 만드는 쪽으로 흐르고, 그 결과 코일의 자석 쪽 면이 N극이 되어 다가오는 자석을 밀어냅니다. 자석을 밀어 넣기가 뻑뻑하게 느껴지는 이유입니다.
  2. 예시 2
    같은 자석을 코일에서 빼낼 때
    이번에는 선속이 줄어듭니다. 유도 전류는 사라지려는 자기장을 붙들려고 반대 방향으로 흐르고, 코일의 자석 쪽 면이 S극이 되어 멀어지는 자석을 끌어당깁니다. 빼낼 때도 힘이 듭니다 — 어느 쪽으로 움직이든 자석은 방해받습니다.
  3. 예시 3
    구리관 속으로 자석 떨어뜨리기
    구리관에 강한 자석을 떨어뜨리면 눈에 띄게 천천히 내려옵니다. 자석이 지나가는 구간마다 관 벽에 맴돌이 전류가 유도되고, 그 전류가 자석의 운동을 방해하는 힘을 만들기 때문입니다. 구리는 자석에 붙지 않는 금속인데도 이런 일이 벌어집니다.

순서대로 하면

유도 전류의 방향을 정하는 순서
  1. 1지금 코일을 지나는 자기 선속의 방향을 정합니다(예: 아래쪽).
  2. 2그 선속이 늘고 있는지 줄고 있는지 판단합니다. 이 판단이 전부입니다.
  3. 3늘고 있으면 유도 전류가 만들 자기장은 그 반대 방향, 줄고 있으면 같은 방향입니다.
  4. 4오른손 법칙으로, 그 자기장을 만들려면 전류가 어느 쪽으로 돌아야 하는지 찾습니다(엄지를 원하는 자기장 방향으로 세우면 감는 네 손가락이 전류 방향).
  5. 5'자석을 방해하는 힘이 나오는가'로 검산합니다. 다가오면 밀어내고 멀어지면 당겨야 맞습니다.

자주 하는 오해

유도 전류가 원래 자기장과 항상 반대 방향의 자기장을 만든다고 외우기
이렇게 생각하기 쉬움렌츠 법칙 = 유도 자기장은 원래 자기장의 반대 방향
실제로는반대가 되는 것은 '선속이 늘어날 때'뿐입니다. 선속이 줄어들 때는 유도 자기장이 원래 자기장과 '같은' 방향입니다.
렌츠 법칙이 방해하는 대상은 자기장이 아니라 '변화'입니다. 자석을 빼낼 때 코일은 사라지려는 자기장을 붙잡으려 하므로, 원래와 같은 방향의 자기장을 만듭니다. 이걸 '항상 반대'로 외운 학생은 자석을 빼는 문제에서 전부 틀립니다.
유도 전류가 변화를 완전히 막아 준다고 생각하기
이렇게 생각하기 쉬움방해하는 쪽으로 흐르니, 결국 선속은 변하지 않고 그대로 유지된다
실제로는방해할 뿐 막지는 못합니다. 선속은 실제로 변하고, 다만 변화가 느려질 뿐입니다.
만약 변화를 완전히 막는다면 선속의 변화율이 0이 되고, 그러면 유도 기전력도 0이 되어 전류가 사라집니다. 전류가 사라지면 방해도 사라져 다시 변화가 시작됩니다 — 앞뒤가 맞지 않습니다. 구리관 속 자석이 천천히나마 '결국 떨어지는' 것이 그 증거입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

전자기 유도고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 전기와 자기

교류와 변압기고2앙페르 법칙고2인덕턴스고2자기장과 전동기고2자성체와 자기력고2전기력선과 가우스 법칙고2전류·저항·옴 법칙고2전위와 전위차고2전자기 유도고2전하와 전기장고2직렬·병렬 회로고2축전기고2쿨롱 법칙고2키르히호프 법칙고2패러데이 법칙고2

자주 묻는 질문

Q1렌츠 법칙이 없으면 정말 에너지가 공짜로 생기나요?
네, 그래서 반드시 필요합니다. 유도 전류가 변화를 돕는 방향이라면 자석을 살짝 건드리기만 해도 전류와 선속이 서로를 키우며 무한히 커집니다. 아무 일도 하지 않고 전기를 얻는 셈이라 에너지 보존이 깨집니다. 렌츠 법칙은 '전기를 얻으려면 그만큼 일을 해야 한다'는 보증서입니다.
Q2전구를 끼운 발전기와 안 끼운 발전기, 돌리는 힘이 다른가요?
다릅니다. 회로가 열려 있으면 전류가 흐르지 않으므로 방해하는 힘도 생기지 않아 가볍게 돌아갑니다. 전구를 끼워 전류가 흐르기 시작하면 갑자기 무거워집니다. 전구가 소비하는 전기 에너지만큼 우리가 더 일해야 하기 때문입니다.
Q3맴돌이 전류(와전류)도 렌츠 법칙을 따르나요?
네. 금속판이 자기장 속을 지날 때 판 안에 소용돌이 모양으로 흐르는 전류인데, 역시 운동을 방해하는 방향입니다. 이 성질을 이용해 놀이기구나 기차의 전자기 제동 장치를 만듭니다 — 닿지 않고도 멈추게 하는 브레이크입니다.
교육과정 2022 개정 · 고2 물리학 · 전기와 자기 수록 기본 (교육과정 단원)

방향을 잡았다면 크기를 계산할 차례입니다. 패러데이 법칙에서 유도 기전력이 정확히 얼마인지 구해 보세요.

전체 연결 구조가 궁금하다면

초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.

렌츠 법칙 지도에서 확인하기 →