자석에 붙는 금속의 종류와 관계에 대해

Dan-Cristian Pădureț

자석이라면 금속에 달라붙는 이미지가 있지만, 사실 붙지 않는 금속도 많습니다. 도대체 어떤 기준으로 결정되는 것일까. 우리들 주변에는 다양한 금속이 있지만, 자석에 붙는 금속의 종류는 한정되어 있고, 공통된 특징을 가지고 있습니다. 그런 자석에 붙는 금속과 그 구조를 살펴보자.

■ 자석에 달라붙는 금속은 한정되어 있다

자석에 금속이 달라붙는 원리는, 자석의 자력에 의해 그 금속도 자석이 되기 때문입니다. 금속에는 많은 종류가 있습니다. 그러나 자석에 붙는 금속의 종류는 의외로 적습니다. 예를 들어 금, 구리와 알루미늄은 우리 주변에 가까이 있는 금속이지만, 이들은 모두 자석에 포함되지 않습니다. 자석에 붙는 가장 가까운 금속은 철입니다. 철 이외에 니켈이나 코발트 등을 들 수 있습니다. 스테인리스에 자석이 붙는데, 이것은 속에 들어있는 철에 의한 것입니다. 따라서 스테인레스의 종류에 따라 붙지 않는 것도 있습니다.

■ 자석에 달라붙는 금속 여부는 자성체가 관계하고 있다

자석이 붙는 금속은 공통적으로 강한 자성체를 가지고 있는 것이 특징입니다. 자성체는 자성을 띠는 물질의 수. 자성체의 종류는 크게 강자성체와 상자성체, 반자성체의 3종류입니다. 

· 강자성체
자석에 붙는 자성체로, 일반적으로 자성체는 강자성체를 지칭하는 경우가 대부분입니다. 강자성체 중에서도 자석을 떼면 즉시 자력을 잃는 연자성체, 자력을 유지하는 강자성체(硬磁性体)라고 합니다.

· 상자성체
강자성체 정도는 아니지만, 자석을 가까이하면 자성을 보여줍니다. 그러나 자석에 붙을 정도의 반응은 없습니다.

· 반자성체
자석이 접근하면 그 자기장을 중화하는 물질입니다. 나무와 유리 등을 들 수 있습니다.

Dan-Cristian Pădureț

■ 같은 철인데도 순철은 영구자석이 되지 않는다

불순물을 포함하지 않는 순수한 철은 외부로부터의 자기에 민감한 것이 특징입니다. 그러나 자기의 영향이 사라지는 즉시 자석으로서의 성질을 잃게 됩니다. 그 이유는 순철에 포함된 자력의 경계선 '자벽'이 움직이기 쉽기 때문입니다. 자석을 떼어 놓은 상태에서는 이 자벽이 산발적인 방향으로 향하게 되어, 자석으로서의 성질을 갖지 않습니다. 따라서 순수한 철은 영구자석이 되지 않습니다.

 

■ 강자성체를 갖는 금속의 종류

· 철
철은 가장 인기있는 금속의 일종입니다. 용이하게 접근할 수 있어서 자석의 소재로 널리 사용되고 있습니다. 또한 철은 자벽이 이동하기 쉽고, 강자성체 중에서도 연자성체인 것이 특징입니다. 순수한 철은 자석을 놓으면 바로 그 성질을 잃지만, 탄소 등 다른 원자를 포함하면, 약하지만 떼어 놓은 후에도 자화 상태가 계속됩니다.

따라서 자석으로 사용하는 경우에는 산화철을 이용하거나 다른 재료와 혼합하여 만들어집니다. 가격이 싸고 다루기 쉬워, 현재 유통되고 있는 많은 자석에 철이 사용되고 있는 경우가 일반적입니다.

· 니켈
니켈은 철과 같은 강자성을 가진 금속의 일종입니다. 은백색을 띄고 있으며, 녹이 잘 슬지 않는 것이 특징입니다. 이 때문에 도금으로 많이 사용되며, 동전에 니켈이 포함되기도 합니다. 도금 상태에서도 자석에 붙을 정도로 강한 자성이 있어서, 네오디뮴 자석의 방청 도금으로서 중요한 역할을 하고 있습니다. 니켈이 단독 상태에서 사용되는 경우는 적고, 자석 소재의 일부로 사용되고 있습니다. 또한 구리와 아연 등과 결합하여 다양한 합금을 만들 수 있습니다.

zengxiao lin

· 코발트
코발트는 니켈 같은 백색을 띄는 금속으로 높은 자성을 갖는 금속입니다. 단독으로 사용하는 경우는 많지 않고 주로 도금으로 이용됩니다. 분말 형태는 부식하기 쉽고, 산에 녹는 것이 특징입니다. 또한 경질 합금을 만드는데 필수적인 소재로, 자성이 있는 특수 강철 'KS자석강'을 만드는 데 이용되고 있습니다. 안료로 사용되는 경우도 있고, 그 색상은 녹색을 머금은 선명한 파란색입니다. 이 색상을 코발트 블루라고도 합니다.

 

■ 다른 성분과 조합하여 보다 강한 자석을 만들 수 있다

· 합금 자석
금속 단독으로 강자성체를 가지고 있어도 강력한 자석을 만들 수는 없습니다. 현재 유통되고 있는 강력한 자석의 대부분은 여러 재료를 조합하여 만들어지고 있습니다. 그 중에서도 종류가 다른 금속끼리의 조합이 합금 자석입니다. 대표적으로 아르니코 자석과 철 크롬 코발트 자석을 들 수 있습니다.

이 자석은 철 산화물만으로 만들어진 페라이트 자석에 비해 높은 자력을 가지고 있는 것이 특징입니다. 그리고 온도에 자력이 안정되어 있는 것도 주목할 만합니다. 플래티넘을 이용한 자석도 개발되고 있지만 비용이 커, 이미 저렴하고 고성능 자석이 시장에 많이 나돌고 있어서 널리 사용되고 있지 않습니다.

· 희토류 자석
희토류 자석은 희토류라는 금속 원소를 이용한 자석으로 네오디뮴 자석과 사마륨 코발트 자석이 대표적입니다. 이름에 '레어'라고 붙어있지만, 희귀한 원소라는 것은 없습니다. 실제로 희토류 자석에서 활용되는 네오디뮴은 코발트보다 매장량이 풍부합니다. 또한 희토류 자석은 원소합금 자석에 비해 높은 자력을 갖고 있지만, 딱딱하고 거친 세라믹에 가까운 성질을 가지고 있습니다. 매우 강력한 자력을 살려 많은 산업 제품에서 사용되고 있어, 현재 가장 인기있는 자석의 하나가 되었습니다.