자석의 원리에 대해 알아보자

자석제품을 사용할 때는 자석이 어떤 원리로 흡착, 반발을 일으키는지를 알아 두는 것이 중요합니다. 자석의 기본원리를 알아두면 제품에 응용해 광범위한 용도로 사용할 수 있습니다.

■ 자석이 붙는 이유는 자극에 의한 것

자석의 기본 특성은 두 가지입니다. 철 혹은 자석끼리가 끌어당기고 반발하는 성질과 고정되지 않은 상태에서는 자극이 남북을 가리키는 성질을 들 수 있습니다. 자석에는 S극과 N극이라고 불리는 2개의 자극이 있어 서로 다른 자극에서는 서로 끌어당기고 같은 자극에서는 반발하는 것이 특징입니다.

철이 자석에 붙는 원리를 살펴보면 철은 자구를 형성하고 있지만 자극의 방향이 다양하기 때문에 본래 가지는 자력을 상쇄하고 있습니다. 그러나 자석을 접근하면 영구자석의 원자의 자극이 같은 방향으로 향하기 때문에 붙게 됩니다.

■ 자력은 전자가 원자핵 주위를 회전함으로써 형성된다

원자핵은 자력이 발생하는 구조로서 중요한 포인트입니다. 원자핵 주위에는 전자의 회전이 발생하는 것으로, 상향 혹은 하향의 방향으로 항상 운동하고 있습니다. 자력은 이 회전운동으로 인해 발생합니다. 전자석에서는 코일에 전류가 흐르면 자력이 발생하는데 마찬가지로 원자중의 전자가 회전하면 자력이 발생합니다.

철과 자석은 회전방향이 같은 수가 아니어서 자력을 유지하고 있습니다. 그러나 자기장에 영향을 받지 않는 물질은 같은 방향의 회전이 같은 수가 있기 때문에 서로의 회전을 상쇄합니다. 그 때문에 자력을 가지지 않습니다.

■ 자석을 자르더라도 자력은 남는다

자석을 절단해도 단면에는 자력이 존재합니다. 이 현상은 여러 번 자석을 자르더라도 같은 방식으로 발생합니다. 자석 내부에 있는 원자는 S극과 N극 양쪽의 방향이 서로 상쇄되는 상태로 유지되고 있습니다. 이것이 잘라져 새로운 단면이 생기면, 상쇄하는 자극의 방향이 없기 때문에 어느 하나의 자극의 특성을 가지게 되는 것입니다.

■ 영구자석의 원리

영구자석은 주변 환경에 좌우되지 않고 일정한 자력을 유지하는 자석입니다. 영구자석은 외부로부터의 영향으로 간단하게는 자극의 방향이 변하지 않는 자석입니다. 자석이나 철이 자력을 가지기 전의 상태는 원자끼리의 자구가 서로의 자력을 상쇄하고 있습니다. 이때 외부의 자계와 접촉함으로써 원자의 자극이 같은 방향으로 향합니다. 그 결과 자구가 깨져 자력이 발생하는 것입니다.

이 원리는 외부의 영향으로 자력이 변하기 때문에 매우 불안정합니다. 영구자석은 원자의 자구가 망가진 후 자계를 멀리해도 다시 자구를 형성하지 않도록 다른 원자를 혼재시키고 있습니다. 따라서 자극의 방향을 고정시킬 수 있습니다. 또 자력이 일정하게 유지되면 안정된 자력을 가집니다.

■ 영구자석의 종류

1. 합금 자석
철을 주원료로 하고 다양한 금속을 섞어 합금으로 만든 자석입니다. 철 이외의 금속은 알루미늄이나 니켈, 크롬이나 코발트 등이 이용됩니다. 이 자석은 강력한 자력을 가진 반면 안정성이 약간 부족합니다.

2. 페라이트 자석
주성분에 산화철(페라이트)을 이용한 자석입니다. 자력은 약하지만 부식에 강하고 내마모성도 우수합니다. 안정된 자력을 가지기 때문에 자기회로나 컬러 마그넷, 스티커 등 폭넓은 용도에 사용되고 있습니다.

3. 희토류 자석
일반적으로 란타노이드로 분류되는 원소(희토류 원소)에 철이나 코발트를 더해 제조됩니다. 딱딱하고 탈락하는 특성이 있지만 자력은 매우 강하기 때문에 정밀기기나 자동차의 모터 등에 사용됩니다.

■ 지구는 영구자석이 아니다

자석의 S극과 N극이 자연스럽게 남쪽과 북쪽으로 향하는 현상에서 알 수 있듯이 지구도 자력을 가지고 있습니다. 그 구조는 지구의 중심에 있는 내핵과 그 주위에서 금속이 대류를 일으키고 있는 외핵의 움직임에 의한 것으로 대류로 인해 전자기유도가 발생해 전자석과 같은 원리로 지구는 자력(지자기)을 가집니다.

이 지자기가 발생하는 구조를 다이나모 이론이라고 합니다. 그러므로 영구자석처럼 금속원자가 일정한 방향으로 고정되는 것은 아닙니다. 또 지자기에 대해서는 아직 규명되어 있지 않은 부분도 많기 때문에 향후 다이나모 이론이 변화할 가능성도 있습니다.

■ 전자석의 원리

전기와 자기는 크게 관련되어 있습니다. 전기를 흐르게 함으로써 그 주위에 자력이 발생하는 현상은 1820년에 Oersted 씨에 의해 발견되었습니다. 그 후 André-Marie Ampère 씨에 의해 전류와 자력의 관계성이 연구되었습니다. 그 결과 전류가 커질수록 자력의 강도가 강해지는 현상이 밝혀졌습니다.

전자석은 전류가 흐를 때만 자력이 발생하기 때문에 전류가 흐르지 않으면 자력이 사라집니다. 전류의 방향을 바꾸어 S극과 N극의 방향이 바뀌는 것이 특징입니다. 또 전류의 크기나 코일 수로 자력이 변화합니다. 이러한 특성은 핀포인트에서 강력한 자력이 필요할 때 유용합니다.

자석의 원리는 수많은 연구자에 의해 규명되어 왔습니다. 전기와의 관계도 밀접하고 자석의 원리를 응용한 제품은 우리의 삶을 지탱하고 있습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 磁石の原理について知ろう
https://www.neomag.jp/mag_navi/column/column007.html