안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
자기장이 공간에 어떻게 퍼지는지는 그 원천이 무엇이냐에 따라 모양이 크게 달라져요. 자석과 직선 도선, 그리고 코일이 만드는 자기장은 각각 다른 분포를 가진답니다.
막대자석 주변의 자기장은 N극에서 나와 S극으로 들어가는 곡선 다발 모양으로 형성돼요. 이 곡선을 자기력선이라고 부르는데, 자석 가까이에서는 선이 빽빽하게 모여 있고 멀어질수록 듬성듬성해지는 게 핵심이에요. 자기력선이 빽빽한 곳일수록 자기장이 세다는 뜻이거든요. 거리에 따라 약해지는 정도는 대략 거리의 세제곱에 반비례해요. 즉 거리가 두 배로 멀어지면 세기는 8분의 1 수준으로 뚝 떨어진답니다. 자석이 의외로 짧은 거리에서만 강하게 느껴지는 이유가 여기에 있어요.
곧은 도선에 전류가 흐를 때는 도선을 중심으로 동심원 모양의 자기장이 둘러싸요. 오른손으로 도선을 감싸 쥐었을 때 엄지손가락이 전류 방향을 가리키면, 나머지 네 손가락이 감기는 방향이 자기장의 방향이에요. 이 경우는 거리에 단순히 반비례해서 약해져요. 거리가 두 배가 되면 세기는 절반이 되는 식이라 자석보다는 훨씬 천천히 약해진답니다.
도선을 둥글게 감은 코일, 즉 솔레노이드 안쪽은 또 달라요. 코일 내부에서는 자기장이 한 방향으로 거의 평행하게 정렬되면서 균일한 세기를 유지해요. 마치 막대자석을 인공적으로 만들어둔 것과 같은 모양이라 전자석의 기본 원리로 쓰이고 있죠.
거리에 따라 약해지는 비율이 자석은 세제곱, 직선 전류는 일제곱으로 다른 이유는 원천의 모양 때문이에요. 자석은 N극과 S극이 짝을 이뤄 서로 상쇄하는 효과가 있어 빨리 약해지고, 직선 전류는 한 방향으로 무한히 이어진다고 가정하니 상쇄 없이 천천히 줄어드는 거랍니다 :)