자기장이란 무엇인가?
자기장
자기장(磁氣場, magnetic field)이란 자기력을 매개하는 벡터장이다. 고전적으로는 움직이는 전하, 즉 전류에 의하여 발생하나, 양자역학에서는 입자 고유의 스핀도 전류와 같은 역할을 할 수 있다. (이에 따라 강자성체가 영구자성을 가질 수 있다.) 자기장의 방향은 자기장 안에 있는 나침반이 가리키는 방향과 같다.
가니메데 (위성)
철로 된 핵의 존재에도 불구하고, 가니메데의 자기장은 비슷한 크기의 위성보다 적은 자기장으로 인해 수수께끼로 남아 있다. 일부 연구에서는 상대적으로 작은 크기의 핵이 충분히 냉각되면서 유체의 움직임과 자기장이 차례로 계속해서 지속되지 않을 것이라는 가설을 내놓고 있다. 동일한 궤도의 공명이 표면에서 지속하는 자기장을 없앤 것이라는 설명도 존재한다. 가니메데의 편심적인 운동과 조석 가열이 공명을 일으켜 맨틀이 냉각되며 핵이 절연 상태가 된다는 설명이다. 또 다른 설명으로는 맨틀에 남은, 위성이 과거에 만들어낸 더 강한 자기장이 남아있는 규산염 암석의 자화가 방해한다는 설명이다.
자기장
F = q v B {\displaystyle \mathbf {F} =q\mathbf {v} \mathbf {B} }
장 (물리학)
만약 전하가 움직인다면, 이 전하는 자기장 또한 만들어낸다. 그런데, 이 자기장이 만약 시간에 따라 변하는 값을 가지는 경우, 패러데이의 유도 법칙에 의해 유도 전기장을 형성한다. 이때 나중에 간접적으로 형성된 전기장을 이차전기장(secondary electric field)이라 한다. 이처럼 일반적으로, 전기장과 자기장이 분리되어 작용하지 않기 때문에 전자기장으로 묶어서 생각한다.
자기장
B = μ 0 4 π q r 2 v × r ^ {\displaystyle \mathbf {B} ={\frac {\mu _{0}}{4\pi }}{\frac {q}{r^{2}}}\mathbf {v} \times \mathbf {\hat {r}} }
자기
자기력(magnetic force, 磁氣力)은 자석(magnet)과 같이 자성을 띤 물체끼리 밀고 당기는 힘이다. 자기에 의해, 자성을 띤 물체끼리 같은 극 부분을 서로 밀어내고 다른 극 부분은 끌어당긴다.
자기장
이렇게 주어진 극에 대한 약속은 비오-사바르 법칙에 나오는 부호 약속, 전하의 부호 약속 등과 마찬가지로 관습적이다.
달의 자기장
달의 자기장은 지구의 그것에 비해 매우 약하다. 다른 주요 차이는 달의 현재 쌍극자 자기장을 지니지 않다. 변하는 자기장은 거의 달의 지각에 근원이 있다.
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.[41] 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.[58]
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.
장 (물리학)
장(場, field)또는 마당이란 공간상의 각 지점마다 다른 값을 갖는 물리량을 일컫는 용어이다. 예를 들어, 온도를 나타내는 함수도 일종의 장이다(단, 온도는 벡터가 아닌 스칼라장이다.) 이러한 장은 흔히 시간과 공간에 대한 함수로 주어진다. 장에는 스칼라장, 벡터장, 스피너장, 텐서장이 있다. 장은 패러데이와 맥스웰에 의해 발전되었으며 아인슈타인 등 많은 과학자에 의해 중력장, 핵력장 등 다양한 장이론이 전자기장을 따라 발전하였다.
맥스웰 방정식
아래 표는 각 기호의 뜻과 단위를 나타낸다.
formula_41는 발산 연산자(단위: 1 / 미터), formula_42는 회전 연산자(단위: 1 / 미터)이다. 두 번째 방정식은 자기 홀극이 없음을 뜻한다. 전기장과 자기장이 대전된 입자에 미치는 힘은 로런츠 힘에 따라 국제단위계에서 다음과 같다.
여기서 formula_44는 입자의 전하량이고 formula_45 는 입자의 속도다. (CGS 단위계에서는 자기장을 다르게 정의하므로, formula_45 대신 formula_47를 쓴다.)
전자석
앙페르 회로 법칙에서 나타내는 바와 같이 직류가 흐르는 전선은 주변에 자기장이 형성된다. 이때 형성되는 자기장의 세기는 전류의 세기에 비례한다.
자북극
자북극(磁北極) 또는 자북(磁北)은 지구의 자기장이 수직의 아래 방향으로 가리키는 지구 표면의 지점으로, 시간이 지남에 따라 점점 이동한다. 자북은 흔히 '지자기 북극(Geomagnetic pole)'과 혼동되기도 한다.
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.
기하적 대수학
또한 formula_26인 formula_27에 대해 formula_28이고, formula_22인 formula_23에 대해 formula_31와 같은 기하적 곱의 반교환성이 있기 때문에, 자기장은 다음과 같이 표현된다.
전자기파
맥스웰은 전기장과 자기장의 파동 방정식을 유도하여 전기장과 자기장의 파동적인 성질을 밝혀내었으며 그들의 대칭성 또한 발견해냈다. 파동 방정식에 의해 예측된 전자기파의 속력은 측정된 빛의 속력과 일치했기 때문에 맥스웰은 빛이 전자기파라고 결론지었다. 맥스웰 방정식은 헤르츠의 라디오파에 대한 실험을 통해 입증되었다.
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
총 자기장은 각각의 전하가 만드는 자기장의 합으로 계산할 수 있다. 점전하가 만드는 자기장은 다음과 같다.
회전 자계
대칭 회전 자기장이 90도 위상으로 구동되는 두번의 극성과 함께 감긴 코일로 제조될수 있다. 3개의 코일은 다른 위상이 120도를 중심으로 각각의 세트가 구동된다. 회전자는 일정한 자기장이 있다. 이 자기 기계 매력은 동기 방식으로 회전하는 자기장을 따라 회전자를 구동하는 힘을 생성한다.
토성
토성은 내부의 액체 금속 수소와 빠른 자전으로 인해 강한 자기장과 광범위한 자기권을 형성 합니다. 목성과 지구의 약간 기울어진 자기축과 달리, 토성의 자기축은 자전축에 대해 기울어져 있지 않고 일치합니다. 토성의 자기장은 목성의 자기장처럼 지구의 자기장과 반대 방향입니다. 적도에서 자기장 강도는–0.2가우스(20µT)–로 목성 주변 자기장의 약 20분의 1이며, 지구 자기장보다 약간 약합니다. 토성의 자기권은 가장 안쪽 16개의 위성을 포함하는 크기(약 1백만 km)로 형성 되있는데, 태양풍에 강도에 따라 이 자기권에 영역이 확장 될수 있습니다. Voyager 2가 자기권에 들어갔을 때, 태양풍 압력이 높았고 자기권은 수 시간 내에 확대되었습니다. 19 토성 반경 (712,000 마일 또는 110만 km ) 만큼 확장했으며 약 3 일 동안 그렇게 유지되었습니다. [토성의 위성 타이탄이 약 120만 km 궤도로 도는데 태양풍에 강도에 따라 자기권 내부에서 또는 외부에서 발견됩니다.] 이러한 자기권은 태양으로부터 오는 태양풍 입자들을 막아주는 역할을 합니다. 위성 타이탄은 토성의 자기권 바깥 쪽에서 궤도를 선회하고 타이탄의 외부 대기에 있는 이온화된 입자로부터 플라즈마를 기여합니다. 토성의 자기권은 지구와 마찬가지로 오로라를 생산합니다.
기전력
자기장의 세기의 그래프와 유도전압 그래프[3]는 서로 다른 그래프이고, 다만 앞의 그래프는 자기장의 세기가 기준이며, 이에 따라 유도전압(유도기전압)이 발생하므로 유도전압그래프[3]와 비슷한 형태로 표현이 됩니다.
유도기전력(유도전압)은 자기력선속의 시간에 대한 변화량에 비례하는 크기를 갖으며, 유도기전력과 자기력선속은 위상차가 있고(자기장의 변화를 방해하는 방향으로 흐르려 하기 때문에 시간에 따른 위상차가 생김), 유도기전력이 최대일때 자기력속선은 최소가 되고, 유도기전력이 최소가 될때 자기력선속은 최대가 되는 맞물린 연관성이 있습니다.
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.
자기장
과거에는 보통 "자기장"이라고 하면 H {\displaystyle \mathbf {H} } 를 일컬었으나, 오늘날에는 B {\displaystyle \mathbf {B} } 가 로런츠 힘을 매개하는 더 근본적인 장이므로 보통 B {\displaystyle \mathbf {B} } 를 "자기장"이라고 부른다. 예를 들어, 에드워드 밀스 퍼셀은 저서 《전기와 자기》[1]에 다음과 같이 적었다. 여기서는 현대적 용법을 따라 B {\displaystyle \mathbf {B} } 장을 "자기장"이라 부르도록 한다.
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.
자기회전비율
로 주어진다. 편의상 자기장이 formula_1축 방향으로 형성되어 있다고 가정하자.
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.
가우스 (단위)
1932년 이전까지는 가우스가 현재는 에르스텟으로 불리는 자기장의 세기를 나타내는 단위로도 쓰였었다. 이 용어 변경은 자기유도와 자기장의 세기를 구분하기 위해 도입되었다.
자기권계면
쌍극자 자기장의 힘이 1/r^3의 거리로 변화하기 때문에 자기장 세기는 다음과 같이 쓸 수 있다. B(r) = B0/r^3.
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
자기장
μ 0 = 4 π ⋅ 10 − 7 H/m {\displaystyle \mu _{0}=4\pi \cdot 10^{-7}{\mbox{H/m}}} 인 진공에서,
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.
자기장
B → = F l I → {\displaystyle {\overrightarrow {B}}={\frac {F}{l{\overrightarrow {I}}}}} (단위: N / A m {\displaystyle N/Am} , T {\displaystyle T} , W b / m 2 {\displaystyle Wb/m^{2}} )
네른스트 효과
전하 수송자와는 상관 없이 초전도체의 경우 자기장이 있을 때 네른스트 효과를 볼 수 있다. 이때의 네른스트 효과는 수송자가 자기장에 영향을 받아 생기는 네른스트 효과와는 달리 자기장에 비선형적인 모습을 나타낸다. 초전도체의 경우 자기장을 밀어내는 성향을 가지게 되는데, 한계 자기장을 넘는 경우 자기장이 초전도체 내부로 들어오게 된다. 이때 자기장은 자기 소용돌이의 형태로 초전도체 내부로 들어오는 경우가 있다. 이 소용돌이는 초전도체 상태가 아니며, 유체의 성향을 가진다. 자기 소용돌이가 초전도체 내부에 있고, 온도 차이나 전류에 의해 수송자의 흐름이 초전도체 내부에 있으면 자기 소용돌이는 그 흐름에 따라 움직이게 된다. 온도 차이가 있는 경우 수송자들은 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 움직이게 되고 소용돌이 또한 수송자들과 같은 방향으로 흐르게 된다. 자기 소용돌이 또한 온도 차이가 있는 방향으로 흐르게 되며, 자기장의 시간에 대한 변화로 인해 전기장이 유도된다. 네른스트 효과는 온도 차이와 수직한 방향의 전기장이 나타내는 효과이며, 온도 차이와 평행한 방향으로 전기장이 유도되는 것을 시벡 효과라 한다.
장 (물리학)
위와 같이 움직이는 전하의 경우에서도 자기장의 방정식을 유도할 수 있고, 자속밀도의 개념을 이용해서 자기력의 크기를 알 수 있다.
로, 단위 면적을 지나는 자기력선의 수(자속, 자기선속)으로 나타내어 진다. 또한 자기장의 방향은 나침반과 같은 도구의 사용에 의해서 나타낼 수 있는데, 자기장의 방향은 임의의 공간안에 자기장이 펼쳐져 있을 때, 나침반의 N극이 향하는 방향으로 알 수 있다.
행성간 자기장
행성간 자기장 (, IMF) 는 태양계의 행성중에 태양풍에의해 운반되는 태양의 자기장을 위한 용어이다.
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.
장 (물리학)
윌리엄 톰슨(William Thomson, 1824-1907)은 패러데이의 전기적 매질의 개념에 처음으로 수학적 신뢰를 부여한 사람이다.톰슨은 정전기 문제에서의 역선을 무한 고체에서의 열 흐름선과 수학적으로 동등하게 설명하였고, 이는 후에 맥스웰의 이론 발전 토대가 되었다.
이러한 패러데이의 설명은 맥스웰의 수학적 접근에 의해 확장되고 보다 그 중요성이 부각되었다. 맥스웰은 패러데이가 발견한 전기장과 자기장의 상호작용을 수학적 토대 위에서 연구함으로써 놀랄만한 결론을 도출했다. 장에서의 변화는 매우 빠르지만 유한한 광속으로 전달된다는 것이다. 따라서 만약 장을 발생시키는 전하가 움직이거나 사라진다면, 이러한 변화의 효과는 멀리 떨어진 전하에 대해 직접적으로 (원격으로) 전달될 수 없을 것이다. 이것은 두 물체의 상호작용에서, 한 물체의 변화에 의한 힘의 효과는 일시적으로 다른 물체가 느끼지 못한다는 것이다. 이것은 일시적이나마 전기력이 뉴턴의 제 3 법칙에 위배된다. 또한 두 입자가 동시에 움직인다면 운동량 또한 보존되지 않음을 알 수 있다. 아인슈타인의 상대성 이론은 이러한 현상을 설명하는 이론이다.
전기장
또 다르게 말하면, 전기장은 공간상에 전하가 존재할 때, 그 전하에 의해 생기는 공간상 각 지점의 전위의 기울기를 말한다. 전위의 기울기이기 때문에, 단위는 /가 된다.
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.
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.
강자성
상기 내용에만 따르면 모든 강자기성 물체는 스핀이 정렬된 상태이므로, 항상 강한 자기장을 가지고 있을 것으로 생각될 수 있다. 하지만 철과 같은 일반적인 강자성 물질들은 "자화되지 않은" 상태로 자주 발견되는데 
그 이유는 하나의 큰 강자성체가 작은 여러 개의 자기구역으로 나뉘어 있기 때문이다. 각각의 구역 안에서 스핀들은 정렬되지만, 다른 자기 구역들이 모두 다른 방향을 가리키고 있기 때문에 그들의 자기장은 모두 상쇄된다. 따라서 그 물체는 거시적인 측면에서는 자기장을 갖지 못한다.
이 교환 상호작용이 주위의 스핀들이 정렬되는 것을 서로 유지시키기 때문에, 자기 구역은 강자기성 물체에서 자발적으로 생겨난다. 교환 상호작용은 근거리력이기 때문에 원자-원자 사이 거래 내에서 수백번의 회전이 일어날 수 있다. 낮은 정자기 에너지를 유지하기 위해서, 이런 회전은 자기 구역 사이에 집중되어 있어야 하는데, 이 영역을 자벽이라고 한다. 자화의 방향이 회전하는 형태는 자벽의 종류에 따라 다른데, 블로호 벽의 경우 자화 방향이 자벽의 평면과 같다고 보고 네엘 벽의 경우 벽에 수직한 방향으로 일어난 다고 본다. 따라서 철은 일반적으로 전체 자기 모멘트가 매우 적거나 없다. 하지만, 그것이 매우 강한 외부 자기장에 배치 되는 경우에는 자기 구역이 외부 자기장에 평행하게 재배치 된다. 그리고 그 자기장이 사라져도 재배치된 자기영역들은 지속된다.
자기 구역은 외부 자기장이 없어지더라도 원래의 최소 에너지 배열 상태(정렬되지 않아 알짜 자화가 0인 상태)로 돌아가지 않는 이유는 자벽이 결정 격자의 결점에 고정되어 평행한 방향을 유지하기 때문이다. 이는 바르크하우젠 효과()에 의해 관찰되는데 바르크하우젠 효과란 외부 자기장의 변화에 따라 자기 구역이 방향을 바꿀 때, 자벽이 이전의 결점에서 급격히 빠져나오면서 자화가 수천 개의 작은 불연속적인 점프를 하며 바뀌는 것으로, 연속적으로 방향이 전환되는 것이 아니라 미세하면서도 "급격한" 변화가 여러 번 일어나서 방향이 전환되는 것을 이른다. 자화는 외부 자기장에 대한 함수로서 자기이력곡선으로 나타낼 수 있다. 정렬된 자기 구역의 상태가 가장 낮은 에너지 배열 상태는 아니지만, 이 상태는 매우 안정하며 이는 지자기에 의해 정렬된 수백만년 된 해저 자철석이 발견되었다는 점을 통해 확인할 수 있다.
가장 강력한 영구 자석을 만드는 합금은 경질 합금으로, 결정 구조에 결점(불순물)이 많아 자벽이 고정되어 안정화될 수 있다. 알짜 자화는 외부 자기장이 없는 상태에서 열을 가하고 냉각시킴으로써 없어질 수도 있다. 열 운동이 구역 경계를 움직일 수 있도록 하여 결점으로부터 빠져나올 수 있게 되고 다시 낮은 에너지 상태의 정렬되지 않은 상태로 되돌아가게 하는 것이다.
솔레노이드
솔레노이드()는 도선을 촘촘하게 원통형으로 말아 만든 기구이다. 솔레노이드는 솔레노이드에 전기를 흘려 자기장을 만들 수 있어 전자석으로 주로 이용된다. 솔레노이드는 유도자(인덕터) 의 종류 중 하나로써, 교류를 이용하는 전자회로에 아주 유용하게 쓰인다. 솔레노이드 단독으로도 자기장을 만들지만 자성이 센 강자성체를 넣으면 자화가 일어나면서 자기장이 더 강해지는 효과가 일어난다.
변위장
전자기학에서, 변위장(變位場, ) 또는 전기 선속 밀도(電氣線束密度, )는 매질 속에서 전기장의 효과를 나타내는 장이다. 기호는 formula_1. 그 국제 단위는 쿨롱 매 제곱미터(C/m)다.
금성
금속으로 된 액체 핵의 대류에 의해서 생기는 다이너모 현상에 의해 자기장이 생긴다고 생각이 광범위하게 받아들여지고 있었기 때문에, 금성 같이 지구와 비슷한 몸집으로 미루어 내부가 완전히 식지 않았을 것으로 추정되는 행성에 스스로 유지되는 자기장이 없다는 것은 상당히 당혹스러운 사실이었다. 다이너모 현상은 세 가지 조건을 필요로 한다. 전도성 액체, 회전, 대류이다. 하지만 금성의 핵은 지구와 마찬가지고 철과 니켈이 주성분인 도체라고 여겨진다. 또한 시뮬레이션 결과에 따르면, 금성이 자전 속도가 매우 느리긴 하지만 다이너모 현상을 일으키기에는 충분하다고 한다. 따라서 금성의 핵이 대류를 하고 있지 않기 때문에 다이너모 현상이 벌어지지 않는다고 생각된다. 지구에서는 액체로 된 외핵에서 대류가 일어나는데, 외핵의 하부가 상부보다 더 뜨겁기 때문이다. 금성에서는 내부의 열을 외부로 방출해 주는 판 구조 활동이 나타나지 않는다. 따라서 금성의 내부는 충분히 뜨거워서 금속으로 된 내핵이 존재하지 않을 수 있다. 즉 핵이 아직까지 냉각되고 있지 않기 때문에 핵이 모두 거의 같은 온도라는 설명이다.
자기 선속
자기 선속의 크기가 변화하면 그 변화 속도에 비례하는 크기의 전기장이 발생한다. 자기장은 전기장의 시간적 변화에 따라 유도되므로, 이러한 전기장과 자기장(또는 전기력선과 자기력선)의 상호 유도가 일어나게 된다. 이렇게 하여 일종의 파동이 발생하게 되는데, 이를 전자기파라 한다.
Ap/Bp 별
Ap/Bp 별은 HD 215441(33.5kG) 보다 강한 자기장이 있다.
일반적인 Ap/Bp 별의 자기장은 수 kG에서 수 십 kG이다. 간단한 쌍극자로 모델화된 장(場)은 대부분의 경우 좋은 근삿값을 가지며 마치 장(場)이 회전축과 나란하지 않은 것처럼 왜 자기장에서 주기적인 변화로 보이는지, 장(場)의 세기가 별이 자전함에 따라 변화할 것인지를 설명한다. 이 이론을 바탕으로 자기장의 변화가 거꾸로 자전속도와 관련이 있다고 생각됐다.
쌍극자장 모델에서 자축은 평편 회전체 모델로 알려진 회전축과 상쇄된다.
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.
자기장
이 식에서 전류의 벡터 i {\displaystyle \mathbf {i} } 는 전류의 스칼라값 i {\displaystyle i} 의 크기를 갖고, 도선에서 전류가 흐르는 방향으로 주어진다.
앙페르 회로 법칙
자기장 H는 자속밀도 B(단위: 테슬라)와 다음과 같은 관계가 있다.(진공인 경우)
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.
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.
자기장
"자기장"이라고 불리는 장은 B {\displaystyle \mathbf {B} } 와 H {\displaystyle \mathbf {H} } 두 개가 있다. 이 중 B {\displaystyle \mathbf {B} } 는 자속 밀도(자기장)(磁氣線束密度, magnetic flux density)이라 불리고, H {\displaystyle \mathbf {H} } 는 자계 강도(magnetic field strength)라고 부른다. 두 장은 진공에서는 서로 B = μ 0 H {\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {H} } 로 서로 비례하지만, 매질 안에서는 일반적으로 서로 다르다. 자속 밀도와 자계 강도가 서로 비례하는 매질을 선형 매질</b>이라고 하는데, 이 때 비례 상수를 매질의 투자율 μ {\displaystyle \mu } 이라고 한다.
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.
제이만 효과
자기장이 없을 때에는 a, b, c는 같은 에너지를 갖고 있다. d, e, f도 마찬가지이다. 자기장이 있는 경우에는 각각 서로 다른 에너지로 분리된다.
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.
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
복각
복각(伏角, magnetic dip)은 지구 자기의 3요소로, 지구 상의 한 지점에 작용하는 전자기력의 방향과 그 지점의 지표면이 이루는 각을 말한다. 복각은 자북극과 자남극에서는 90도이며 자기적도(磁氣赤道, magnetic equator)에서는 0도이다.
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.
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.
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.
자기장
P = B 2 2 μ {\displaystyle P={\frac {B^{2}}{2\mu }}}
자기장
U H = B 2 V 2 μ {\displaystyle U_{H}={\frac {B^{2}V}{2\mu }}}
나침반
나침반은 자기 북쪽을 가리키는 지침으로 작용하는데, 이는 자침이 지자기장을 따라 정렬되기 때문이다. 자기장이 자침에 토크를 작용하여 바늘의 한 끝을 지구의 북쪽 자극으로 잡아당기고, 반대쪽을 남쪽 자극으로 잡아당긴다. 자침은 마찰이 적은 회전점에 놓여 있고, 고급 나침반은 보석 베어링에 고정되어 쉽게 돌아갈 수 있게 되어 있다. 나침반이 수평으로 놓였을 때, 몇 초간의 진동 이후 나침반의 한 끝이 북쪽 자극을 가리킨다. 자석, 혹은 나침의 북극은 지구의 북쪽에 이끌리는 쪽을 말한다 (북반구에서). 나침의 북극은 항상 색깔, 야광 페인트, 화살표 등으로 표시되어 있다.
전문가용 나침반은 바늘 대신 디스크로 고정된 회전점에 막대자석이 고정되어 있고 방위기점과 각도가 표시되어있다. 더 나은 나침반은 액체로 되어있는 것으로, 바늘이나 디스크가 액체가 채워진 용기 안에 있어 감쇄진동 이후 바늘이 북쪽을 가리키게 되는데, 일반적인 나침반에 비해 빠르며 바늘을 효과적으로 보호할 수 있다.
내비게이션에서 지도 위의 방위는 참북, 즉 지구의 회전축을 기준으로 한다. 지구의 자축 (magnetic pole)과 큰 차이가 없긴 하나 지질학적 축 (geographic poles)이 약간 다르므로 나침반은 참북을 가리키지 못하며, 나침반이 가리키는 북쪽을 자기북쪽 (magnetic north)라고 한다. 나침반의 지면에서의 위치에 따라 참북극과 자기북극의 각도차가 달라지며 이를 자기 편각이라고 한다. 자기 편각은 대부분의 지도에 그려져 있어 나침반의 위치를 보정할 수 있게 한다.
자축 (magnetic pole) 근처의 지역에서는 지자기장의 차이가 커 자기 편각이 매우 크므로 자기 나침반이 쓸모가 없다. 그래서 다른 장비를 이용한다.
자축의 위치는 시간에 따라 움직이는데, 이는 인간의 시간으로 생각해도 그렇게 큰 변화는 아니다. 최근 몇 년간 큰 변화가 있었다. 지구상 어느 위치에 있는 관찰자라도 자기 편각이 있으며 이는 위치에 따라 다르고, 시간에 따라 달라진다. 적도에 가까울수록 자기 편각이 적다. 어떤 자기 나침반은 자기 편각을 극복하는 메커니즘을 포함하여 참방향 (true direction)과 자기 방향을 상대적으로 나타내도록 설계되어있다. 이러한 나침반의 사용자는 그 지역에서의 자기 편각을 정확히 알고 나침반을 조정해야한다.
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).
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.
행성 거주가능성
마지막으로, 커다란 행성은 커다란 중심핵을 가질 확률이 높다. 중심핵은 자기장을 형성하여 항성풍으로부터 지표면의 생명체들을 보호한다(항성이 발산하는 이온화 입자들은 생명체에게 치명적이다). 행성의 질량이 큰 것 외에도 빠르게 자전하면 자기장이 형성된다.
자기장
여기서 V {\displaystyle V} 는 부피, d V {\displaystyle dV} 는 미소부피를 의미한다.
전자석
전류에 의해 형성된 자기장은 전선을 감은 횟수인 N과 전류이 세기인 I에 비례한다. 암페어-횟수를 뜻하는 NI는 기자력을 나타낸다. 단일 자기 회로로 된 전자석에서 앙페르의 회로 법칙을 적용할 때에는 자기 코어의 길이인 L 과 자기 코어와 코일 사이의 간극의 길이인 L 을 모두 고려하여야 한다.
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.
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.
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.
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.
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.
자기부상열차
자기부상열차(磁氣浮上列車, )는 전기로 발생된 자기력으로 레일에서 낮은 높이로 부상해서 바퀴를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시켜 달리는 열차를 말한다.
기존 전기철도는 바퀴와 레일의 마찰을 통해서 차량을 전진시키는 방식을 취하고 있기 때문에 속도가 빨라질 경우 차륜(바퀴)이 레일에 밀착되지 않고 공회전하는 경향이 있어, 그보다 더 빠르게 주행하기가 힘들어 더 빠른속도를 내기 위해 개발한 것이 자기부상열차이다.
자기장
B = μ H {\displaystyle \mathbf {B} =\mu \mathbf {H} \ }
자기 저항
외부자계가 인가되었을 때 저항이 변하는 박막형 물질을 자기저항물질이라 하며 자기 디스크의 신호를 읽는데 사용된다. 금속이나 반도체에 자기장을 걸어주면 일반적으로 전기저항이 증가하고 그 증가량은 약한 자기장에 대해서는 자기장 세기의 제곱에 비례하는 현상이다. 단결정(單結晶)을 이용하여, 전기저항이 전류나 자기장의 방향에 따라 어떻게 변화하는지를 조사함으로써 전도대(傳導帶)에 대한 정보를 얻을 수 있다. 1883년 영국의 L.켈빈에 의해 발견되었다. 자기장의 방향에 대하여 전류의 방향이 수직인 경우를 가로효과, 평행인 경우를 세로효과라고 하는데 보통 가로효과가 뚜렷하다. 
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.
전자기 퍼텐셜
전자기 퍼텐셜(電磁氣potential, )은 전기 (스칼라) 퍼텐셜과 자기 (벡터) 퍼텐셜로 이루어진 사차원 벡터다. 즉 그 성분 formula_1는 다음과 같다.
여기서
이에 따라, 전기장과 자기장으로 구성된 전자기장 텐서 formula_6는 다음과 같다.
장 (물리학)
자기장의 크기 또한 한 종류의 힘에서 도출해낼 수 있는데, 그 힘을 로런츠 힘이라 하고 아래와 같이 표현한다.
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.
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.
상대론적 전자기학
따라서 우리는 자기장이 전기장의 상대론적 표현이라는 것을 확인하였다.
전자기학
전기장과 마찬가지로 자기가 미치는 공간을 자기장이라고 한다. 위에 설명한 바와 같이 자기의 단위 자극인 자하는 전하와 달리 홀로 존재하지 않고 언제나 쌍극자로 존재하므로 N극에서 나와 S극까지 이어지는 하나의 자기 흐름을 생각할 수 있다. 이렇게 하나의 폐곡선으로 연결되는 자기 흐름을 자기력선이라고 하는데, 자기장은 일정 공간에 자기력선이 얼마나 많이 모여있는지와 그렇게 모인 자기력선이 얼마나 센 지를 고려하여야 한다. 자기력선이 일정 공간에 얼마나 많이 모여 있는지는 자기 선속 밀도(磁氣線束密度)라고 하며, 관례적으로 formula_2로 나타낸다. 한편, 특정 위치에서 자기장의 세기는 formula_3로 나타내는데, 그곳에 놓인 자하가 받는 힘을 뜻한다. 국제단위계에서는 자기장의 단위로 테슬라(T)를 사용하지만 일반적으로는 가우스(G)가 더 많이 쓰인다.
기하적 대수학
표준기저를 이루는 서로 다른 벡터 간의 내적은 0이므로, formula_22인 formula_23에 대해 formula_24이며, 따라서 자기장은 다음과 같이 표현된다.
솔레노이드
자기력선의 가장 큰 특징 중 하나는 전기력선과 달리 고리 형태를 이루어야 한다는 것이다. 공간에 놓인 점전하는 서로 갈라지는 전기장선을 만들지만 하나의 자기쌍극자는 고리형태의 자기장선을 만든다. 무한히 긴 솔레노이드에 적용시킨다면 솔레노이드는 바깥의 공간에 자기장을 형성시킬 수 없다. 실험적으로 보자면 긴 솔레노이드 밖의 자기장은 솔레노이드의 길이가 길어질수록 0에 수렴한다.
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.
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.
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.
지자기
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.
상대론적 전자기학
이 글의 처음에도 설명하였듯이 고전적인 쿨롱법칙과 특수상대성 이론의 로렌츠 변환을 이용하면 자기력이 전기력의 상대론적 표현임을 확인할 수 있다고 하였다. 이 사실을 가장 쉽게 보여주는 예시가 바로 정상전류가 흐르는 도선이 만드는 자기장이다. 정상전류 I가 흐르는 무한 직선 도선으로부터 거리가 s만큼 떨어져 있는 지점에서 발생하는 자기장은 다음과 같다.
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
자기장
만약 이 선형물질의 부피가 일정하다면 식을 더욱 간단하게 쓸 수 있다.
자기권
지구의 자기권의 연구는 William Gilbert가 지구의 표면위에 자기장이 작은 인공소지구에 자화권과 비슷하다는 것을 발견했을 때인 1600년에 시작되었다. 1940년대에, Walter M. Elsasser가 지구의 자기장이 지구의 철의 외핵(iron outer core)의 움직임의 결과로보는 'dynamo 이론'의 모델을 제안했다. 자기계의 사용을통해, 과학자들은 시간과 위도, 경도의 함수로 지구의 자기장의 변화를 연구할 수 있었다. 1940년대 후반부터, 로켓이 우주선(cosmic rays)를 연구하는데 사용되기 시작하였다. 1958년, space missions의 첫번째 Explorer 시리즈인 Explorer1이 대기권위의 우주선의 강도와 이 활동의 변동을 측정하기 위해서 발사되었다. 이 임무는 Van Allen radiation belt(지구의 자기권의 내부지역에 위치한)의 존재를 관측하였고, 후에 Explorer 3 미션은 이 것의 존재를 명확하게 증명하였다.또한 1958년, Eugene Parker는 태양풍(solar wind)의 아이디어를 제안했다. 1959년, 자기권이란 용어는 Thomas Gold에 의해 제안되었다.1961년에 Explorer12 미션은 Caholl 과 Amazeen가 1963년 정오 자오선(noon meridian) 근처의 자기장의 세기가 갑작스런 감소한것을 이끌어냈고, 이는 후에 자기권계면이라 명명되었다. 1983년, International Cometary Explorer가 자기권꼬리를 관측하였고, 또한 멀리있는 자기장을 관측하였다.
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.
자기장
∇ × {\displaystyle \nabla \times } 는 회전 연산자이다. ∇ ⋅ {\displaystyle \nabla \cdot } 는 발산 연산자이다. μ 0 {\displaystyle \mu _{0}\ } 는 진공의 투자율이다. J {\displaystyle \mathbf {J} \ } 는 전류밀도이다. ∂ {\displaystyle \partial \ } 는 편미분 연산자이다. ϵ 0 {\displaystyle \epsilon _{0}\ } 는 진공의 유전율이다. E {\displaystyle \mathbf {E} \ } 는 전기장을 의미한다. t {\displaystyle t\ } 는 시간이다.
행성간 자기장
행성간 물질안에 플라즈마는 또한 지구 궤도에서 원래 기대했던 것보다 100배이상 더 강한 태양의 자기장의 세기의 원인이다. 만약 우주가 진공이라면 태양의 표면에서 약 10^-4테슬라인 태양의 자기 쌍극이 (거리)^-3으로 감소하여 10^-11테슬라가 될 것이다. 그러나 위성관측은 약 10^-9테슬라에서 약 100배 더크다는 것을 보여준다. 자기유체역학 이론은 행성간 물질과 같이 자기장 안에서 전도된 유체의 운동이 전기의 흐름을 줄이고 차례로 자기장을 만들것이라고 예상했다 그런점에서 이것은 자기유체 역학 다이나모같이 행동한다.
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.
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.
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.
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, B {\displaystyle \mathbf {B} } 가 두 벡터의 벡터곱과 관련되어 있다는 사실(로런츠 힘)로부터 알 수 있다.