영구자석과 전자석

영구자석과 전자석

1) 영구자석

자석은 자기장을 발생시켜 강자성체를 갖는 성질을 갖는 물체를 말하는데 자석은 철가루와 철 조각 등을 끌어당기는 성질이 있다. 또한 자석으로 강철을 문지르면 강철도 역시 철 조각을 끌어당기는 성질을 가지고 된다. 영구자석은 이러한 자석 물질에 외부에서 강한 자기장을 가하여 물질 전체의 자기화가 한 방향이 되도록 만들어서 이 자기화가 쉽게 없어지지 않는 상태의 자석이다. 자석의 어원은 소아시아의 마그네시아라는 지방에서 따 온 것으로 알려져 있는데, 이 지역에서는 자연적으로 자기화된 자철광이 풍부하였고 이것이 영구자석의 원재료가 된다. 영구자석은 자기력을 크게 하기 위해 철 등의 자연 강자성 물질에다 다른 물질을 혼합하여 만들게 된다.

강자성 물질로는 전이금속에 해당하는 철, 코발트, 니켈 등과 희토류 물질인 네오디움, 가돌리움, 디스프로슘 등을 들 수 있다. 천연 상태에서 채취한 강자성 물질은 보통 자석으로서의 구실을 하지 못한다. 그 이유는 자연 강자성 물질은 크기가 0.01밀리리터 정도의 매우 작은 자기 구역으로 나뉘어 있고 이들 자기 구역의 자극의 방향이 서로 다른 방향을 향하기 때문에 그 효과를 합하면 전체적으로 상쇄되기 때문이다.

이러한 상태의 강자성 물질이 자석이 되려면 외부에서 강한 자기장을 가하여 자기화를 시켜주어야 한다. 천연상태의 강자성 물질에 큰 자기장을 걸어주면 각 자기 구역을 경계 짓는 자기 벽이 이동하여 자극 방향이 외부 자기장 방향과 나란하게 된 자기 구역들이 합쳐져 전체적으로 자석이 될 수 있다.

2) 전자석

전자석은 도선에 전류를 흘려주면 자기장이 발생되는 원리를 이용하여 만든 자석이다. 도선에 전류를 흘려 주면 비오·사바르의 법칙에 따라 도선 주위에 자기장이 형성되는데 이 자기장의 크기는 전류에 비례하고 도선으로부터의 거리의 제곱에 반비례한다. 따라서 원형 도선에 전류를 흘려주되 도선 위에서 볼 때 전류의 방향이 반시계 방향이면 위쪽이 N극이 되고 아래쪽이 S극이 되는 자기장이 발생한다.

이러한 원형 도선을 코일 모양으로 촘촘히 원통형으로 감은 것을 솔레노이드라고 하는데 이 솔레노이드가 발생하는 자기장은 솔레노이드 외부에는 거의 0이고 내부에는 거의 균일한 자기장이 생성되고 한쪽 끝이 N극 이면 다른 쪽 끝은 S극이 된다. 이렇게 도선이나 코일만으로도 전자석이 되지만 자석의 세기를 크게 하기 위해 코일이나 솔레노이드 내부에 철과 같은 영구자석을 넣어 전자석을 구성한다. 영구자석은 스스로 자성을 나타내는 강자성체로서 철이나 희토류 원소 등의 합금으로 이루어져 있다.

쉽게 말하면, 전선을 여러 번 감은 원형 코일 속에 철심을 넣고, 코일에 전류를 흘리면 철심은 강한 자석이 되고 전자석은 전류가 많이 흐를수록 그리고 감은 수가 많을수록 강한 자석이 되며, 전류의 방향이 바뀌면 전자석의 극도 바뀐다. 전자석은 영구 자석과 달리 전류가 흐르는 동안만 자석이 되며, 각종 릴레이, 차단기, 전동기 뿐만 아니라 스피커나 자기 부상 열차에도 활용되고 있다.

3) 자석의 성질

가. 자석은 쇠붙이를 끌어당기는 힘이 있으며, 남북을 가리키는 성질이 있다.

나. 자석의 양끝은 자기력이 가장 강하게 작용하는데 이것을 자극이라 한다.

다. 자석에는 언제나 N극과 S극인 두 극성이 존재하며 자기량은 같다.

라. 같은 극성의 자석은 서로 반발학 다른 극성은 서로 흡인한다.

마. 자극의 세기 단위는 Wb가 사용된다.

바. 자력선은 N극에서 나와 S극으로 향하고 자석 내부에서는 S극에서 N극으로 이동한다.

사. 자력이 강할수록 자력선의 수가 많다.

아. 자력선은 아무리 사용해도 기본적으로는 감소하지 않는다.

자. 자력선은 비자성체를 투과하며 자기장의 상태를 표시하는 선을 가상하여 자기장의 크기와 방향을 표시한다.

차. 자력선은 서로 교차하지 않는다.

카. 자석은 영구 자석을 떨어뜨리거나 일정 온도 이상 가열하면 여러 개의 자기 구역들이 서로 밀고 당기면서 정렬을 흐트러뜨려서 자석이 약해지게 된다. 또한 저온이 되면 자력이 증가한다.

타. 자석은 임계 온도 이상으로 가열하면 자석의 성질이 없어진다.