제3권 · Chapter 2: 자기와 전자기 유도

1. 자기장

1-3. 자기장 속에서 전하가 받는 힘 (로렌츠 힘)

하늘에서 춤추는 빛의 커튼 — 오로라의 비밀

밤하늘에 초록색, 보라색, 붉은색 빛의 커튼이 너울거리는 광경을 본 적이 있는가? 사진이나 영상으로라도 본 적이 있다면, 그 압도적인 아름다움을 잊기 어려울 것이다.

이것이 바로 오로라(aurora)다.

오로라는 어떻게 만들어질까? 태양에서 날아온 전하를 띤 입자들(양성자와 전자)이 지구의 자기장과 만나면서 벌어지는 현상이다. 태양풍의 전하 입자들은 지구의 자기장에 의해 휘어지고, 나선을 그리며, 극지방의 대기로 끌려 들어간다. 이 입자들이 대기의 산소·질소 분자와 충돌하면서 빛을 내는 것이다.

그런데 잠깐 — 전하가 자기장에 의해 "휘어진다"는 것은 무슨 뜻인가? 전하가 직선으로 날아가다가 방향이 바뀌려면, 힘이 작용해야 한다. 자기장이 전하에 힘을 준다는 것인가?

그렇다. 하지만 이 힘에는 매우 기묘한 특징이 있다.

전기장은 간단했다 — 전하를 전기장 방향으로 밀거나 당겼다. 하지만 자기장이 움직이는 전하에 가하는 힘은 전하의 운동 방향도 아니고, 자기장의 방향도 아닌, 제3의 방향으로 작용한다. 마치 "앞으로 달리는 사람을 옆으로 밀어내는" 것 같은 기이한 힘이다.

이 힘 때문에 전하는 직선으로 달리지 못하고 원을 그리며 돈다. 오로라의 전하 입자들이 나선을 그리는 것도, 입자 가속기에서 입자가 원형 궤도를 도는 것도, 모두 이 힘 때문이다.

"자기장은 움직이는 전하에 어떤 힘을 주는가? 그리고 왜 그 힘의 방향이 그토록 기묘한가?"

이번 절에서 이 매혹적인 힘 — 로렌츠 힘(Lorentz force) — 을 만나보자.