지자기

위키백과, 우리 모두의 백과사전.
이동: 둘러보기, 검색
Magnetosphere rendition.jpg

지자기장(영어: magnetic field of the Earth)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.

전 세계 지구자기장의 크기는 20 μT에서 80 μT 정도이며, 한국의 경우 50 μT이다. 자기장은 비록 근원에서 멀어질수록 점점 약해지지만 무한하게 뻗어나간다. 지구의 자기장은 수만 킬로미터 정도 유효하게 퍼져 있어 자기권이라 불린다. 지자기의 일변화는 대한민국에서는 여름에 100 nT 정도다.

[지자기의 국제 단위는 테슬라(T)이지만, 이는 매우 큰 단위이므로 보통 마이크로테슬라(μT)나 나노테슬라(nT)를 쓴다. 나노테슬라는 지자기학에서 감마(γ)라는 이름으로 부르기도 한다. 또한 CGS 단위인 가우스(G)를 쓰기도 하는데, 1가우스는 100 마이크로테슬라이다]

자북점은 이동하지만, 보통 나침반 탐색에 충분히 유용할정도로 매우 느리게 이동한다. 그러나, 평균 몇십만년인 임의의 간격으로 지자기장은 반전되는데, 이는 북극과 남극이 서로 변화하는 원인이된다.

전리층 위의 영역은 자기권이라는 공간인데, 수십에서 수천 킬로미터까지 뻗어있다. 이 지역은 유해한 자외선으로부터 지구를 보호하는 오존층을 포함하고, 우주 광선으로부터 지구를 보호한다.

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.

자기장 강도의 변화는 열대 지방에서의 변화와 관련이 있다.

지구자기장 측정 실험

유도 자기장을 활용한 지구 자기장 측정

전공 : 물리

연구의 필요성 및 목적

1) 실험주제

본 실험의 목적은 지구 내부 액체물질인 외핵의 대류현상에 의해 생기는 지구 자기장을 측정함에 있다. 지구에 만연한 지구자기장에 대해 인식하고, 우리 주위의 지구자기장의 크기를 측정한 후, 지구 자기장이 우리 생활에 미치는 영향까지 파악하려 한다.

2) 실험을 하게 된 동기

학교에서 평소에 학력평가나 내신 시험을 보는 과정에서 위 실험과 관련된 문제가 다수 출제되었다. 그래서 우리는 지구 자기장 측정 실험을 자주 접할 수 있어 이와 관련하여 흥미를 가지고 있었다. 그러나 그와는 상반되게 학교에서는 실제로 이 실험을 진행할 수 없었다. 평소 이론상으로만 알고 있고, 그림으로만 접하던 실험을 교수님께서 선택할 수 있는 실험 중 하나로 제시하여 주셨을 때 위 실험은 우리의 이목을 끌기에 충분했다.

이론적 배경

1) 외핵에 의한 지구자기장의 발생

외핵은 맨틀과 내핵 사이의 구간으로, 2,885km부터 5,155km 깊이에 해당하며, 두께는 2,270km이다. 온도는 깊어질수록 증가하는데 맨틀 부근에서는 4,400° 그리고 내핵 부근에서는 6,100°에 이른다. 외핵은 주로 철과 니켈 등 금속원소로 이루어져 있는데 산소나 황, 규소 같은 원소도 조금 섞여 있다. 외핵은 액체 상태로 존재하는데, 지구의 자전이나 방사성 동위원소의 붕괴에 의한 열, 그리고 외핵에 녹아 있는 철 성분이 굳으면서 발생하는 열 등에 의해 외핵은 액체상태를 유지한다. 회전하는 외핵의 액체금속에 전류가 발생하면서 지구 자기장이 만들어 진다.

Ⅱ) 긴 직선 도선에 전류가 흐르면 도선을 중심으로 동심원 모양의 자기장이 생긴다. 이때 자기장의 방향은 오른손 엄지손가락을 전류의 방향으로 향하게 하고, 나머지 네 손가락을 감아쥐었을 때 네 손가락이 감기는 방향이다.

5) 투자율

자기장의 영향을 받아 자화할 때에 생기는 자기력선속밀도(磁氣力線束密度)와 진공 중에서 나타나는 자기장 세기의 비를 말한다.

진공의 투자율(µ진공)은 매우 작은 값으로 거의 0에 가까우며, 공기의 투자율도 이와 근사하여 이 값을 사용한다.

µ진공 = 4π×10−7 ≈ 1.26×10−6 H·m−1

투자율은 물질의 종류에 따라 정해진다. 철 등의 강자성체나 페리자성체 등에서는 극히 큰 값을 나타내며, 그 값은 자성체의 자기적인 이력(履歷)이나 자기장의 세기에 따라 변한다. 특히 퍼멀로이·센다스트 ·페라이트 등의 합금은 극히 큰 투자율을 가지고 있어서 전기적·자기적으로 고유한 특징을 보이기 때문에 고투자율 재료로 영구자석이나 고주파기기의 자심(磁心) 등에 사용된다.

6) 옴의 법칙

1826년 독일의 물리학자 G. S. Ohm(옴)이 발견했다. 옴의 법칙은 전기회로 내의 전류, 전압, 저항 사이의 관계를 나타내는 매우 중요한 법칙이다.

전압의 크기를 V, 전류의 세기를 I, 전기저항을 R이라 할 때, V=IR의 관계가 성립한다.

여러 개의 부하가 직렬로 연결된 직렬회로에서는 저항을 통과하는 전류가 같다. 그러므로 각각의 부하에 걸리는 전압이 전기저항에 비례한다. 병렬회로에서는 부하에 걸리는 전압이 같으므로, 각각의 부하에 흐르는 전류가 전기저항에 반비례한다. 예를 들어, 직렬회로에 흐르는 전류가 10A라면 5Ω의 저항의 양 끝에 걸린 전압은 50V다. 10Ω의 저항에는 100V의 전압이 걸린다. 병렬회로에서 전압이 100V라면, 10Ω의 저항에 흐르는 전류는 10A고, 20Ω의 저항에는 5A의 전류가 통과한다.

7) 지구 자기장의 세기

지자기장(magnetic field of the Earth)은 지구의 내부로부터 태양풍과 만나는 곳까지 뻗어있는 자기장인데, 태양풍은 태양으로부터 방사되는 하전입자들의 흐름이다. 지구 표면에서의 규모 범위는 25 에서 65 μT ( 0.25-0.65 가우스 ) 까지 이다. 대략적으로 회전축에 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 오랜 시간에 걸쳐서 변화한다.

전 세계 지구자기장의 크기는 20 μT에서 80 μT 정도이며, 한국의 경우 50 μT이다. 자기장은 비록 근원에서 멀어질수록 점점 약해지지만 무한하게 뻗어나간다. 지구의 자기장은 수만 킬로미터 정도 유효하게 퍼져 있어 자기권이라 불린다. 지자기의 일변화는 대한민국에서는 여름에 100 nT 정도다.

연구방법 및 과정

1) 실험도구

직류전원 공급 장치, 가변 저항기, 집게전선, 클램프, 구리도선, 나침반, 목재 자, 나침반 애플리케이션, 사포, 토치, 지지대, 나무상자, 디지털 멀티 테스터기

2) 연구 방법 및 과정

클램프와 지지대를 사용하여 구리도선을 30cm높이에 바닥과 평행하도록 설치한다. 이때 구리 도선은 정북쪽과 정남쪽을 각각 가리켜야한다.

구리도선의 끝 부분을 사포와 토치를 이용하여 에나멜 부분을 벗겨, 전류가 흐르도록 한다.

집게전선을 이용하여 직류전원 공급 장치와 가변저항기, 그리고 구리도선을 연결한다.

디지털 멀티 테스터기를 이용하여 집게전선과 구리도선에 이상이 없는지를 확인한다.

나무상자를 이용하여 구리도선과 나침반 사이의 거리가 지정한 거리가 되도록 조정한다.

저항을 10Ω이 되도록 가변저항기를 조정한다.

옴의 법칙에 의거하여 직류전원 공급 장치의 전압을 조절해 회로에 지정된 전류가 흐르도록 한다.

구리도선에 의하여 나침반의 각도가 변화되는 정도를 애플리케이션을 통해 측정한다.

지구 자기장과 구리도선에 의하여 형성된 자기장의 관계를 이용하여, 지구 자기장의 세기를 측정한다.

가변 저항기의 저항 값과, 직류전원 공급 장치의 전압 값을 조절해 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 2.7A 의 다양한 전류 값을 흐르도록 하여 지구 자기장의 세기를 측정한다.

나무상자의 개수를 조절하여 구리도선으로 부터의 수직거리를 0.01, 0.02, 0.03m 의 다양한 값으로 변화시키며 지구자기장의 세기를 측정한다.

위 실험은 모두 3회 이상 시행되어야 하며, 그 평균값을 실험값으로 사용한다. 실험간 사이 간격은 2분으로 한다.

3) 가설 설정

본 실험을 진행하기에 앞서 살펴본 선행연구와 이론적 배경에서 볼 때, 실험을 진행하여 최종적으로 경북대 실험실내에서 측정한 지구 자기장은 50 와 근사한 값이 나올 것으로 예상된다. 참고문헌에 따르면 지구의 표준 자기장은 20~80 로 지형에 따라 멘틀형태에 변화가 생겨 다르며 특히 우리나라의 경우 평균 50 이고, 여름철엔 약 100 가량 차이가 난다. 따라서 약 50 에 근사한 실험값이 도출될 것으로 예상하였다.

연구결과 및 결론

1) 실험 결과

전류(I) 저항(옴) 델타각 자기장(B) 지구자기장(μT)
0.5 10 16 0.00001 34.87414444
1 10 26 0.00002 41.00607683
1.5 10 32 0.00003 48.01003587
2 10 41 0.00004 46.01473629
2.5 10 47 0.00005 46.62575431
2.7 10 49 0.000054 46.94148384
평균 0.000034 43.91204
전류(I) 저항(옴) 델타각 자기장(B) 지구자기장(μT)
0.5 10 6 0.000005 47.57182227
1 10 14 0.00001 40.10780934
1.5 10 19 0.000015 43.56316317
2 10 24 0.00002 44.92073548
2.5 10 30 0.000025 43.30127019
2.7 10 34 0.000027 40.02914615
평균 0.000017 43.24899
전류(I) 저항(옴) 델타각 자기장(B) 지구자기장(μT)
0.5 10 8 3.333E-06 23.71789907
1 10 14 6.667E-06 26.73853956
1.5 10 16 0.00001 34.87414444
2 10 26 1.333E-05 27.33738455
2.5 10 36 1.667E-05 22.93969867
2.7 10 30 0.000018 31.17691454
평균 1.13E-05 27.79743

2) 결과 분석 및 결론

거리 0.01m 에서의 실험결과를 보았을 때, 추이선이 전류가 증가함에 따라 자기장 값이 증가하고, 50 에 근사하고 있음을 볼 수 있다. 이렇게 볼 때 자기장 값이 낮을 때는 주변 요인에 다소 영향을 받았으나, 자기장 값이 증가함에 따라 주변 오차요인에 영향 받는 정도가 감소한다고 볼 수 있다. 또한 도선과 측정 장치로부터의 거리가 가까워 실험값이 안정적으로 도출되었다.

거리 0.02m, 0.03m 에서의 실험결과를 보았을 때, 추이선이 하강곡선과 현저히 낮은 수치를 그리는 것을 볼 수 있다. 또한 표준오차에서 추이선과는 상당히 빗겨나간 결과를 볼 수 있었다. 전체적으로 실험결과가 불확정적이고 규칙적이지 않아 표준 지자기에 근사하지 않는 결과를 보였다. 주위에 상당량의 실험외적인 전자기파가 흘렀거나, 전원공급 장치, 측정 장치, 도선에 이상이 생긴 것으로 판단된다. 하지만 측정 장치는 정북을 가리켰고, 전원공급 장치 또한 멀티테스터에서 정상수치가 나왔다. 회로를 이루는 도선 사이에 문제로 추정된다. 0.01m의 실험과 0.02m,0.03m 실험 사이 공백 기간이 2주란 시간이 흘러 핵심장치들은 변함없었지만 도선들이 전부 교체되었다는 점으로 볼 때 두 가지 모두 가능성이 충분했다.

마지막으로 전체적인 그래프를 볼 때 1~1.5A 실험값들이 대체로 추이선과 많은 상승오차를 보여주고 있다. 이는 0.01m, 0.02m, 0.03m 세 실험에서 모두 나타나고 있는 것으로 보아, 특정 전류에서 일어나는 현상으로 전기적인 결함으로 보인다. 전류공급장치의 결함이 가장 가능성 높으며 저항에서의 전자기유도로 볼 수 있다.

따라서 이 실험에서 측정한 지구의 자기장은 거리 0.01m에서 비교적 안정적인 결과를 보여주고 있고 추세선 또한 50μT에 근사하고 있으므로 최종 결과인 2.7A에서 43.91204μT이다.

3) 오차 분석

직선 전류에 의해 생기는 유도자기장이 주위 전자기기의 전자기파에 의해 방해를 받아 한국의 표준 지구자기장의 값과는 차이가 생긴다.

직류전원 공급 장치의 전압의 값을 변화시키는 과정에서 코일형식의 가변 저항기에 흐르는 전류가 변하면서, 유도 자기장이 발생한다. 이 유도 자기장이 구리 도선의 자기장에 영향을 끼쳐 표준 자기장 값과는 차이가 난다.

구리 도선 자체의 저항 값에 의해, 직류전원 공급 장치에 표시된 회로 전체의 전압, 전류 값과 차이가 난다. 이 때문에 유도자기장의 세기를 측정하는 과정에서 정확한 값을 도출해 낼 수 없어 표준 자기장 값과 차이가 난다.

지구 자기장이 사라진다면?

1) 동물들의 방향감각 상실

오래 전, 아주 먼 곳에 짧은 편지를 보내거나 쪽지를 보낼 때 비둘기를 사용했다. 비둘기는 모르는 곳에서도 집을 찾거나 길을 찾는 데 뛰어난 능력을 갖고 있기 때문이다. 비둘기가 가진 뛰어난 방향 감각과 집을 찾는 능력은 다름 아닌 자기장을 느끼는 감각의 결과라는 사실이 1979년에 밝혀졌다. 비둘기의 머리뼈와 뇌 사이에는 가로 2mm, 세로 1mm 크기의 자석이 있다. 이 자석이 지구 자기장과 반응하여 방향을 잡는 역할을 하는 것이다.

비둘기 외에도 자기 집을 찾아 돌아오는 능력을 가진 동물은 대체로 지구 자기장을 느낄 수 있는 생체 자석을 지니고 있는 것으로 밝혀졌다. 지구 자기장이 사라진다면 이런 생체 자석을 지닌 동물들이 자기가 가야 할 방향을 잃고 집을 찾아가지 못하는 일이 벌어질 것이다. 그렇게 되면 비둘기가 방향 감각을 잃고 벽이나 창문, 차창을 향해 돌진해서 떼죽음을 당하는 일이 발생할 수도 있을 것이다.

2) 강력한 우주 에너지로의 노출

우주 공간에는 우주선이라는 강력한 에너지가 있다. 이 에너지는 끊임없이 지구로 날아오는데, 이 우주선을 막아서 지구의 생명체들을 보호해 주는 것이 바로 지구 자기장이다.

지구 자기장의 양 극지방에서 지구 내부로 들어온 우주선의 일부가 공기와 충돌하면서 생기는 것이 바로 아름다운 오로라 현상이다. 하지만 만일 지구 자기장이 없어진다면 지구는 우주에서 날아오는 우주선을 막지 못해서 큰 재앙을 맞이하게 될 것이다. 강력한 에너지가 그대로 지구에 들어오게 되면 우리가 사용하는 전기 제품들이 이유 없이 폭발하거나 더 이상 사용할 수 없게 되고, 정전이 되거나 통신이 끊어져서 전화나 인터넷 등도 사용할 수 없게 된다. 또한 우리에게 별다른 피해를 주지 않더라도 아름다운 오로라가 무시무시한 오로라로 변할 수도 있을 것이다.

3) 유전자의 심각한 파괴

유전자의 심각한 파괴로 지구 생태계가 위기에 빠진다. 태양풍이 사람이나 동식물에게 그대로 피폭되면 세포의 유전자가 파괴된다. 암 발생률이 매우 높아지고, 기형아 발생률이 급증한다. 강력한 살균 능력을 가진 자외선이 그대로 지구로 쏟아지게 되므로 사람들은 바깥출입을 삼가고, 나가더라도 우주복과 같은 옷을 입고, 얼굴 전체를 덮는 선글라스를 쓰고 나가야 할 것이다. 자신을 보호할 능력이 없는 동식물들은 낮은 단계의 생명체부터 서서히 멸종하게 된다.

4) 전력 시스템과 통신시설의 장애

인공위성의 오작동을 비롯하여 지상의 위성 통신 시스템이 작동 불능 상태에 빠진다. 또한, 수시로 내려치는 어마어마한 번개의 위력 앞에 지구는 순식간에 불바다가 된다. 전 세계의 산에 산불이 일어날 것이고, 남극과 북극의 빙하는 녹아내린다. 시간이 지나면서 지구의 온도는 상승하고 바닷물은 증발하게 되고, 결국 화성과 같이 사막뿐인 행성이 되고 만다.

5) 나침반의 사용불가

각 종 항공기, 선박 등이 항로를 따라 안전하게 운행할 수 없다. 특히 항공기의 야간 운행은 불가능하게 된다. 이로 인해 각 나라 간의 무역이나 여행 등은 매우 위축될 것이고, 경제적 손실은 예측이 불가능할 정도로 커질 것이다.

고찰

한 번 더 기회가 된다면 실험 시에 도선부터 전원공급 장치, 측정기 등의 표준치를 정확히 맞추어 두고 실험하고 싶다. 0.01m 실험에서는 실험도구들을 준비하며 준비된 상태에서 실험을 했지만 오랜 기간이 흐른 후 재검증 시간을 갖지 않아 실험결과에 영향을 미쳤던 것으로 보인다. 이를 보완하여 더욱 정밀한 실험을 진행하면 실험값이 표준 지자기에 근사한 값으로 나올 것으로 기대된다.

최초에 지구자기장 측정 실험을 위해 구상해온 실험이 있는데, 이 실험을 학교 측의 실험기구의 부재로 하지 못했다. 원형 도선과 자기 선속의 변화를 위한 모터, 유도기전력 증폭기, 유도 기전력 센서를 이용하여 지구 자기장의 세기를 측정하고자 했다. 그 원리는 다음과 같다. 지구는 하나의 거대한 자석의 역할을 하는데 이때 대기 중에는 많은 자기선속이 지나간다. 이때 원형 고리 형태의 도선을 임의로 회전시키면 자속에 변화가 생기고, 이에 따라 유도 기전력이 발생한다. 측정된 유도 기전력으로부터 역으로 지구 자기장을 구할 수 있다. 식과 그림으로 이를 나타내보자.

실험구상의 전체 개요는 위와 같다. 기존의 나침반의 각 변화를 이용한 지구자기장 측정값과 이 실험에서의 지구자기장 측정값을 비교·분석 한다면 대한민국의 표준 지구자기장 값에 더 근사한 값을 도출해 낼 수 있지 않을까. 나아가 이 실험의 결과 값을 분석해 본다면, 기존의 실험의 오차에 대한 또 다른 해석을 내놓을 수 있지 않을까.

참고문헌

하이탑 물리Ⅱ, 네이버 백과사전, 두산 백과, 해피캠퍼스-지구자기장 측정 실험 논문, 네이버 캐스트 ‘지구 자기장’

같이 보기[편집]