경제 산책
자석의 성질 본문
자석의 성질
1. 자극
막대자석 주위에 나침반을 두고 나침반의 바늘이 가리키는 방향을 선으로 연결하면, 막대자석의 한쪽 끝에서 다른 한쪽 끝을 연속적으로 연결하는 선이 얻어진다. 이렇게 나침반의 바늘이 일정한 방향을 가리키며 정렬하는 현상은 막대자석이 없는 지구의 표면에서도 똑같이 관측된다. 이것은 지구 자체가 커다란 자석과도 같이 지자기장을 형성하기 때문이다. 지자기장으로부터 힘을 받는 자석의 거동을 바탕으로 하여 지구의 북극으로부터 인력을 받는 부분을 나침반 바늘의 자기 북극(magnetic north pole), 그 반대 방향을 자기 남극(magnetic south pole)이라고 칭하고, 이들을 자극(magnetic pole), 혹은 자기 극이라고 한다. 전기 현상에서 독립된 양전하와 음전하가 존재하며 같은 부호의 전하끼리는 서로 밀어내고 반대 부호의 전하끼리는 서로 끌어당기는 전기력이 작용한다.
이러한 전기적 현상을 일으키는 독립적 물리량이 전하인 것과 유사하게, 자기적 현상을 일으키는 기본적인 물리량으로 개념화한 것이 자극이다. 즉, 자기 현상에서도 N극과 S극이라는 두 가지 자극이 존재하며, 자극과 자극 사이에는 자기력이 작용한다. 전하와 유사하게, 같은 자극끼리(N-N, S-S)는 서로 밀어내고 다른 자극끼리(N-S)는 서로 끌어당기는 자기력이 작용한다. 자기력이 미치는 공간의 변화를 자기 N극에서 나와서 자기 S극으로 들어가는 자기장으로 개념화한다.
이것은 전기력이 미치는 공간의 변화를 양전하에서 나와서 음전하로 들어가는 전기장이 형성되는 것으로 개념화하는 것과 유사하다. 자기장의 크기와 방향을 자기 N극에서 나와서 자기 S극으로 들어가는 방향을 갖는 연속선으로 나타내고, 자기력선이라고 부른다. 자기력선은 자극 외의 어느 곳에서도 없어지거나 생겨나지 않으며, 여러 개의 자기력선이 서로 교차하여 만나지도 않는다.
정전기 현상에서 독립적인 전하가 존재하는 것과는 다르게, 자기 현상을 주는 N극 또는 S극만으로 이루어진 독립적인 자기홀극(magnetic monopole)은 실제적으로는 존재하지 않는다. 만약 독립적인 자기 홀극을 얻기 위하여 양 끝이 각각 N극과 S극으로 이루어져 있는 막대자석의 가운데를 자르면 다시 N극과 S극을 갖는 두 개의 자석이 얻어짐이 알려져 있다.
즉, 아무리 작게 잘라도 독립적인 N극 또는 S극 하나만으로 이루어진 자극을 얻을 수는 없고 항상 N극과 S극이 양 끝에 함께 존재하는 자석이 얻어진다. 그러므로 물리적으로 실제하는 자기적 현상의 가장 기본이 되는 물리량은 N극과 S극이 일정한 거리를 두고 함께 존재하는 자기 쌍극자(magnetic dipole)이다.
발
2. 자기유도
자기력을 받아 움직이는 전하 또는 자기 모멘트가 그 위치에 따라 받는 자기력이 달라지는 것을 자기장(magnetic field)이라는 벡터 양으로 나타내는데 자성체를 자석 가까이 놓으면 자화 되는 현상을 말하며, 자화란 쇳조각 등 자성체를 자석으로 만드는 것을 말한다.
3. 자성체와 반자 성체
자기를 띠는 물질을 자성체라고 한다. 자기란 자기장을 발생시켜서 쇳조각을 끌어당기는 자기력을 작용하는 성질 또는 현상이다. 자성체 물질이 자기를 띠는 원인은 물질을 이루고 있는 기본 구성 입자들의 자기 모멘트들이 한 방향으로 정렬하고 있기 때문이다. 물질을 이루고 있는 전자를 포함한 구성 입자들은 자기 모멘트라고 불리는 성질을 갖는데, 이 자기 모멘트는 마치 아주 작은 막대자석과 유사하게 자기장에 반응하여 정렬함으로써 물질의 자성을 결정한다.
이러한 자성체는 자석에 자화 되어 끌리는 물체인 상자 성체와 강자성체가 있으며, 상자 성체로는 알루미늄, 백금, 산소, 공기 등이 있고 강자성체는 철, 니켈, 코발트, 망간 등이 있다.
자석에 반발하는 물체를 반자 성체라고 하며 금, 은, 구리, 안티몬, 아연 등이 있다.
4. 자석의 용도와 기능
전기 에너지를 기계 에너지로 전환할 수 있는데 스피커, 전압계, 전류계, 검류계, 전동기, 브라운관 등에 이용되고 있다. 또한 기계적인 에너지를 전기적 에너지로 전환하는 용도로도 사용되는데 전기 회로와 직교하고 있는 자기력 선속 수가 변화하거나 또는 자기장 중 도체가 움직이며, 그 도체 중에 기전력이 발생하는 원리를 이용한 것으로서 자동차의 발전기, 발화기, 마이크로폰, 전화기의 송수화기 등에 사용된다.
기계적인 에너지를 다른 기계적인 에너지로 전환하는 용도로도 사용되며, 이는 자석이 다른 강자성체나 다른 자석을 흡인 또는 반발하는 원리를 응용한 것이다. 두 개의 자석으로 힘을 전달하는 유량계, 점도계, 수위 지침기, 믹서 등이 있다. 마지막으로 물리적 현상을 이용한 나침반, 전자력에 의한 회전력을 이용한 농형 유도 전동기나 적산 전력계 등이 있다.