자석에 관한 이것저것

왜 자석에 철이 붙는가?

철이나 코발트 등은 강자성체라고 불리며 원자 자체는 영구자석으로 되어 있습니다. 이들 원자는 몇몇 집단(작은 영구자석의 덩어리)을 만들어 자구를 형성하고 있습니다. 이 자구는 자극의 방향이 흩어져 있기 때문에 철 전체로는 자력이 상쇄되어 영구자석이 되지 않습니다.

여기서 철에 약한 자계를 가하면 철원자의 자석은 외부의 자계에 민감하게 반응하기 때문에 철원자의 자석은 일제히 자계와 같은 방향으로 자극을 향합니다. 그 결과 자구는 없어져 철 전체가 자석이 되는 것입니다. 여기서 자기장을 제거하면 다시 자구가 생겨 자석이 아니게 됩니다.

자석이 철에 붙는 원리는 자석이 발생한 자력(자계)에 의해 철이 자석이 되었기 때문입니다. 예를 들어 철제 클립에 자석을 접근하면 클립이 자석이 되어 자석에 붙습니다. 또 자석에 붙은 클립은 그 자체가 자석으로 변화하기 때문에 다른 클립을 끌어당기는 것입니다.

영구자석이란?

갓 만든 자석재료는 자구를 만들어 자력을 상쇄하고 있습니다. 이 자석재료를 형성하는 철과 같은 강자성체의 원자자석은 외부 자계에 민감하게 반응하여 자극의 방향을 바꿉니다.

영구자석의 제조에서는 철원자가 쉽게 자극의 방향을 바꾸지 않도록 작업이 이루어져 외부로부터 자계를 걸리는 작업(자화)에 의해 자구를 없애 버린 후에는 외부 자계를 제거해도 원래의 자구 구조로 돌아가지 않고 영구적으로 자석이 됩니다. 예를 들어 영구자석의 하나인 Nd-Fe-B(네오디뮴-철-붕소) 자석에서는 네오디뮴원자가 철원자의 자극의 방향을 특정 방향으로 고정합니다.

영구자석은 자계에 의해 자구를 없애고 자기장을 제거해도 자구를 할 수 없고 스스로 자력을 계속 발생합니다. 철원자만이라면 자극의 방향은 흔들리고 있지만 네오디뮴원자에는 그것을 억제하는 작용이 있습니다.

영구자석의 종류

영구자석은 물질의 구조적 특징으로부터 합금자석, 페라이트자석, 희토류자석이라는 3가지로 분류됩니다.

◆ 합금자석
철을 주성분으로 하는 합금으로 영구자석으로서는 가장 오래된 역사를 가지고 있습니다. 대표적인 것으로는 Fe-Al-Ni-Co 자석(철-알루미늄-니켈-코발트, 알니코 자석이라고 함), Fe-Cr-Co 자석(철-크롬-코발트 자석) 등이 있습니다.

페라이트 자석보다 2~3배 높은 자력을 가지지만 보자력(자석의 자극이 반전해 버리는 역방향의 자계의 크기)이 낮기 때문에 자석 자신이 발한 자계로 인해 자력이 약해질 수도 있습니다. 그러므로 자석이나 철을 조합한 자기회로에서는 가능한 한 자력이 약해지지 않는 형상으로 해야 합니다. 또한 온도에 대해 자기력이 매우 안정적이라는 특징도 있습니다.

그 밖의 합금자석 중에서 Fe-Pt(철-백금) 자석이나 Co-Pt(코발트-백금) 자석은 높은 자력에 더하여 매우 큰 보자력을 나타내는 고성능 자석으로 알려져 있지만 원료에 귀금속을 필요하고 한층 더 고성능인 희토류 자석이 개발되면서 그다지 개발이 진행되지 않았습니다. 그러나 최근에는 자기기록 매체로서 다시 주목을 받고 있습니다.

◆ 페라이트 자석
철 산화물을 페라이트라고 부르고 이것을 원료로 만든 영구자석을 페라이트 자석이라고 합니다. 일반적으로 페라이트라고 하면 노이즈 필터나 코어 등에 사용되는 것을 가리키는데 이것들과 구별하기 위해 하드 페라이트라고 부르기도 합니다.

자력은 3종류의 자석 중에서 가장 낮지만 산화철이 주성분이기 때문에 매우 저렴하고 또한 내식성도 좋아서 현재 가장 다량으로 사용되고 있는 영구자석입니다. 보자력도 비교적 크기 때문에 퍼미언스를 낮게 할 수 있어 자석 혹은 자기회로의 설계에 자유도가 있습니다.

종이를 화이트보드에 붙일 때 사용하는 핀자석과 자동차의 초보자 마크는 페라이트 자석입니다. 초보자 마크는 페라이트 자석 가루를 고무에 반죽한 것으로 고무자석이라고도 할 수 있습니다. 플라스틱에 섞은 플라스틱 자석 등 이것들을 본드 자석 혹은 본데드 자석이라고 부릅니다.

◆ 희토류 자석
희토류 원소(주기율표의 란타니드라고 불리는 일련의 원소)와 코발트 혹은 철로 이루어지는 금속간 화합물을 주성분으로 한 자석입니다. 이 자석은 합금자석과 달리 단단하고 부서지기 쉬운 특징이 있습니다. 어느 쪽인가 하면 세라믹과 같은 성질입니다.
대표적으로는 Sm-Co 자석(사마륨-코발트), Nd-Fe-B 자석(네오디뮴-철-붕소 자석, 단순히 네오디뮴 자석이라고도 함) 등이 있습니다.

희토류 자석의 특징은 매우 강력한 힘으로 강도를 나타내는 최대 에너지 곱으로 비교해 보면 페라이트 자석의 10배 이상입니다. 매우 강한 자력을 이용하여 이전에는 초전도 자석을 이용하고 있던 MRI의 자계발생원, 하드디스크 드라이브의 모터(스핀들 모터와 보이스 코일 모터), 에어컨의 컴프레서, 하이브리드 자동차의 모터 등에 사용되고 있습니다. 또 자력이 강하다는 것은 자석을 작게 할 수 있어 헤드폰, CD나 DVD의 픽업, 휴대전화의 진동모터 등의 소형화에 도움이 되었습니다.

막대자석을 자르면 어떻게 될까?

막대자석에 클립을 붙이면 양쪽 끝에만 붙습니다. 막대자석의 중간은 자석으로 작동하지 않는 것처럼 보입니다. 그러나 막대자석을 자르면 자른 부위에 새 자극이 나타나 클립을 끌어당깁니다.

영구자석의 경우에는 원자 자체가 영구자석으로 되어 있고 그것들이 자극의 방향을 갖추어 배열되어 있습니다. 자석 내부에서는 인접한 N극과 S극에 의해 자극은 상쇄되므로 막대자석의 끝에만 자극이 나타납니다.

자석은 얼마나 작아질 수 있나?

자석의 한가운데를 반으로 반복해서 자르면 점점 짧은 자석이 되어 갑니다. 또 자석의 폭 방향으로 절반으로 자르더라도 길쭉한 자석을 2개 만들 수 있습니다. 자석에 이러한 특성이 있는 이유는 자석이 방향이 맞춰진 작은 미니 자석으로 이루어져 있기 때문입니다. 그리고 자석의 크기가 미니 자석보다 작아지면 자석으로서의 성질이 없어져 버립니다.

물질을 구성하는 원자는 스핀이라고 불리는 자기의 최소 단위의 자성을 갖는다. 미니 자석은 그 스핀이 방향을 가지런히 해 많이 모인 것입니다. 자석이 되는 대표적인 물질로서 철이 알려져 있는데 철의 미니 자석은 한 변이 약 15나노미터의 입방체의 크기가 됩니다(1나노미터는 1밀리미터의 백만분의 1 크기).

화이트보드에 붙어있는 종이를 멈추기 위한 핀자석은 페라이트 자석이라고 불리는 영구자석으로 만들어집니다. 페라이트 자석은 철 산화물이 주성분의 세라믹이므로 망치로 두드리면 쉽게 나눌 수 있습니다. 막대자석과 마찬가지로 깨진 페라이트 자석의 파편 하나하나는 자석 그대로입니다. 자동차의 초보자 마크는 1마이크로미터 크기의 페라이트 자석분말을 고무에 반죽한 것입니다.

N극이나 S극으로만 이루어진 자석은 없나?

자석이 발생하는 자력의 근원은 전자입니다. 전자는 최소의 자석으로 N극·S극이 있어서 많은 전자의 N극·S극의 방향을 모은 것이 자석입니다. 전자는 더 이상 나눌 수 없기 때문에 N극이나 S극만 존재하는 자석은 없습니다.

만약 N극만을 가지는 소입자가 존재하고 그것을 모을 수 있으면 N극만 존재하는 자석이 됩니다. 그러나 지금까지 그러한 소립자는 발견되지 않았습니다.

자석이 끌어당기는 힘은 자석의 자화강도와 거리에서 어떻게 변할까?

끌어들이는 물체는 자성이 있다고 합시다. 자성체 사이에 작용하는 힘은 자성체의 형상에 따라 크게 변화하므로 구체적인 값을 계산하기 위해서는 유한요소법 등을 이용한 수치계산이 필요합니다. 이 원인은 자성체 사이에 작용하는 힘이 자석이 만드는 자기장의 위치에 의한 변화로 힘의 크기가 결정되기 때문입니다. 따라서 자석의 형상뿐만 아니라 자성을 가진 대상이라고 하는 것이 자석처럼 외부 자기장에 대하여 자화상태가 변화하기 어려운 물질인지, 혹은 철이나 니켈과 같이 외부 자기장에 대조적으로 자화상태가 변화하기 쉬운 물질인지 여부에 따라 상황이 달라집니다. 구체적인 수치가 필요한 경우에는 전자기장 해석의 소프트를 판매하고 있는 메이커에 문의하면 유상의 해석을 해 주는 곳이 있다고 생각합니다.

단순화해 이야기하면 자성체간의 힘의 근원은 쿨롱 상호작용이라 불리며 자성체가 가지는 자화의 제곱에 비례하고 자성체 사이 거리의 제곱에 반비례한 힘을 받습니다. 자석에 끌리는 물체의 자화가 변하지 않는다고 가정하면 쿨롱 힘은 자석의 자화에 비례합니다.

상기의 가정의 범위에서 예를 들면 대상이 양쪽 모두 1mm 이하와 같은 충분히 작은 경우에서 3500가우스의 자석을 5mm의 간격으로 끌어당기는 힘과 12000가우스의 자석으로 10mm의 간격으로 끌어당기는 힘을 비교해 보자.

자석의 강도인 3500/12000의 비로 힘의 강도가 바뀝니다. 한편 거리에 관해서는 제곱에 반비례이므로 (10×10)/(5×5)의 비로 힘의 강도가 바뀝니다. 전자의 비가 0.29에 대하여 후자의 비가 4이기 때문에 0.29×4=1.16 > 1이 되므로 강도 12000Gauss로 거리 10mm의 조건이 끌어당기는 힘이 약할 것으로 예상됩니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 磁石（初級）
https://www.magnetics.jp/tech-info/b_magnet/#:~:text=%E9%89%84%E3%82%84%E3%82%B3%E3%83%90%E3%83%AB%E3%83%88%E3%81%AA%E3%81%A9%E3%81%AF,%E3%81%AF%E3%81%AA%E3%81%A3%E3%81%A6%E3%81%84%E3%81%BE%E3%81%9B%E3%82%93%E3%80%82