최종 업데이트: 2026-06-15

솔레노이드의 자기장

솔레노이드는 도선을 나선형으로 감은 코일입니다. 전류가 흐르면 각 루프가 작은 자기장을 만들어 내고, 모든 루프의 자기장이 코일 내부에서 건설적으로 합쳐집니다. 그 결과로 솔레노이드 축 방향의 거의 균일한 자기장이 형성됩니다. 길이가 지름에 비해 충분히 긴 솔레노이드의 내부 자기장은:

$B = \mu_0 n I$

여기서 $\mu_0 = 1.2566 \times 10^{-6}\ \text{T·m/A}$는 진공의 투자율, $n = N/L$은 단위 길이당 감수(turns/m), $I$는 암페어 단위의 전류입니다. 이상적인 무한 솔레노이드 외부의 자기장은 정확히 0이며, 실제로는 매우 작습니다.

감수 밀도란 무엇인가요?

감수 밀도 $n$은 솔레노이드 단위 길이당 도선 루프의 수입니다:

$n = \frac{N}{L}$

여기서 $N$은 전체 감수, $L$은 솔레노이드 길이(미터)입니다. 0.5 m에 500회 감긴 솔레노이드의 $n = 1000\ \text{turns/m}$은 1 m에 1000회 감긴 것과 동일합니다. 두 경우 모두 같은 전류에서 같은 자기장을 만들어 냅니다. 자기장 세기를 결정하는 것은 총 감수나 길이가 아니라 감수 밀도입니다.

공식

자기장은 $n$과 $I$ 모두에 비례합니다. 어느 하나를 두 배로 늘리면 자기장도 두 배가 됩니다.

계산 예시

1 m 길이에 1000회 감기고 2 A의 전류가 흐르는 솔레노이드의 내부 자기장을 구합니다.

먼저 감수 밀도를 계산합니다:

$n = \frac{N}{L} = \frac{1000}{1} = 1000\ \text{turns/m}$

그다음 자기장을 계산합니다:

계산기에 1000회, 1 m, 2 A를 입력하면 같은 결과를 얻습니다. 0.5 m에 500회 감기고 2 A가 흐르는 경우도 두 구성 모두 감수 밀도가 1000 turns/m로 동일하므로 정확히 같은 자기장을 만들어 냅니다.

솔레노이드와 막대 자석의 비교

솔레노이드의 외부 자기장 패턴은 막대 자석과 본질적으로 동일합니다. 양 끝에 뚜렷한 N극과 S극이 있는 쌍극자 자기장입니다. 가장 큰 실용적 차이는 제어 가능성입니다. 솔레노이드의 자기장은 전류를 조절하거나 활성 감수의 수를 바꾸어 켜고 끄거나, 방향을 반전시키거나, 연속적으로 세기를 조절할 수 있습니다. 이것이 전동기, 변압기, MRI 기기, 입자 가속기에서 솔레노이드가 핵심적인 역할을 하는 이유입니다.

긴 솔레노이드 내부의 자기장은 막대 자석 내부보다 훨씬 균일합니다. 이 균일성은 공간의 특정 영역에서 제어되고 예측 가능한 자기장이 필요한 곳에서 활용됩니다.

근사가 유효하지 않은 경우

$B = \mu_0 n I$ 공식은 솔레노이드 길이가 지름보다 훨씬 클 때 성립합니다. 끝부분 근처에서는 자기장이 약해지고 쌍극자 형태로 변하기 시작합니다. 긴 솔레노이드의 끝에서의 자기장은 내부 값의 약 절반입니다. 짧은 솔레노이드나 끝부분 근처에서 높은 정확도가 필요한 경우, 비오-사바르 적분을 수치적으로 계산해야 합니다.

철과 같은 강자성 코어를 추가하면 내부 자기장이 재료의 비투자율 $\mu_r$만큼 배가됩니다. 연철의 경우 수천에 달하기도 합니다: $B = \mu_0 \mu_r n I$. 이 원리가 전동기와 변압기에 사용되는 전자석의 기초입니다.