[물리학-전자기학] 28. 자석과 자성 | Magnets and Magnetism

 

자석

Magnets

 

• 자석(magnets): 자성을 지닌 물체로, 자성이란, 자기적인 성질을 의미한다. (1)자연자석과 (2)인공자석으로 크게 구분되며, 자연자석으로는 대표적으로 자철석이 있다.
• 자철석(magnetite): 철광석 중 일부로 모든 광물 중에서 가장 자성이 강한 것이 특징이다. 심지어 생물 내부에도 광물 원소들의 조합으로 자철석이 생성(produced)되는데, 대표적으로는 철새의 몸 안에 든 자철석으로 인해 방향을 감지할 수 있게 한다.

 

그림 1. 마니사, 투르키예

 

 

'magnet'은 인류 역사상 자철광의 최초 발견지인 투르키예의 마니사(Manisa, Magnesia)[그림 1]로 부터 그 이름이 유래되었으며, 고대 로마의 박물학자 플리니우스 세쿤두스(Gaius Plinius Secundus, 23-79)의 저서 『박물지(Naturalis Historia)』와 중국 북송시대의 학자 심괄(Shen Kuo, 1031-1095)이 쓴 『몽계필담(Dream Pool Essays)』(1088) 등을 통해 자기 현상이 널리 알려졌다.

 

Shen Kuo, 1031-1095

 

 

자석의 종류

1. 천연자석: 자철석 등 자연에서 얻는 자성을 가진 자석
2. 페라이트(ferrite): 천연 광물 등에서 얻는 자석과 달리 자성을 띤 산화철 화합물, 니켈, 아연, 망간 등의 산화물로 만들어진다.
3. 전자석(electromagnet): 코일과 철심 구조로 전류가 흐르는 동안 자기장이 형성되는 자석[그림 2], 전류가 흐르지 않으면 자성이 사라지는 것이 특징이다.

 

그림 2. 전자석

 

 

특히 전자석의 경우에는 변압기(transformer), 모터(motors) 뿐만 아니라 MRI, 입자가속기 등 매우 광범위하게 사용되고 있다.

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자성

Magnetism

 

• 자성(magnetism): 자기라고도 한다. 자성이란, 자성체(magnet) 주위에 물체가 놓여있을 때, 이 물체에 어떤 영향을 미치는 지 또는 그와 관련한 자성체의 성질을 의미한다.
• 자성의 근본적 특성은 움직이는 전하들의 상호작용에서 비롯된다.
• 자기장(magnetic fields): 전하 자체가 전기장을 생성하듯이, 움직이는 전하 혹은 움직이는 전하의 집합(전류)은 자기장을 생성한다. ⇒ 자기장에 의해 다른 전하나 전류가 자기력을 경험한다.
• 자기력(magnetic forces)은 움직이는 전하에만 작용한다.

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자석 자성의 특징

• 자화(자석화)된 물질은 스스로 남북 방향으로 정렬한다.
• 지구 또한 자화되어 있는데, [그림 3]과 같이 지구 자기장을 생성하고 있다. ⇒ 지표면 아래에는 자철석 광물이 아주 많이 묻혀 있는데, 이들이 높은 압력을 받으면 유체와 같이 거동하게 된다.

 

그림 3. 지구 자기장 [출처:University Physics Volume 2, OpenStax, 2016, p.495]

 

 

1. N극(north-pole of magnet): 지리적으로 남극을 가리키는 회전하는 영구자석의 끝 극
2. S극(south-pole of magnet): 지리적으로 북극을 가리키는 회전하는 영구자석의 끝 극

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• 자기력의 대표적인 두 가지 특성(인력, 반발력)은 두 막대 자석의 상호작용[그림 4]으로 설명 가능하다.

 

그림 4. 두 막대 자석 간의 상호작용 [출처: Sears & Zemansky's University Physics with Modern Physics, Young & Freedman, 14th ed., 2016, p.906]

 

 

1. 두 막대 자석의 극이 서로 다를 때, 인력이 발생한다.
2. 두 막대 자석의 극이 서로 같을 때, 반발력(척력)이 발생한다.

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• 막대자석의 어느 극이나 금속을 포함한 자기화되지 않은 물질을 끌어당긴다[그림 5]. 이때 끌어당겨진 물체는 다음과 같은 특성을 갖는다.

 

그림 5. 자석의 끌어당김 [출처: Sears & Zemansky's University Physics with Modern Physics, Young & Freedman, 14th ed., 2016, p.906]

 

 

1. 물체에 N극을 갖다 대면 물체의 접근 면이 S극으로 유도된다. cf. 물체의 반대쪽은 자연스럽게 N극화된다.
2. 물체에 S극을 갖다 대면 물체의 접근 면이 N극으로 유도된다.

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앞서 배운 전하의 경우, 양전하와 음전하가 홀로 존재할 수 있었다. 하지만 자석은 [그림 6]과 같이 분리하였을 때, 새로운 두 극성을 즉각적으로 생성해낸다.

 

그림 6. 자석을 쪼개었을 때, 극의 분리 [출처: Sears & Zemansky's University Physics with Modern Physics, Young & Freedman, 14th ed., 2016, p.907]

 

 

막대자석을 두 조각으로 부러뜨리면 각각의 부서진 조각은 다시 작은 막대자석이 된다.