자기 (물리)

자기(磁氣, magnetism)은 전하에 의해 생기는, 물질들이 서로 끌어당기거나 밀어내는 현상이다. 그리고 상온에서 전하를 가져 이러한 현상을 일으키는 물질을 자석이라 한다. 지구는 하나의 자기장을 띄고 있는 거대한 자석이고 이 성질을 이용해 중국인들은 나침반을 만들었다.

개요

자기는 자석이 갖는 특유한 물리적인 성질이다. 대표적인 예로 철조각이 막대자석에 달라붙는 현상을 들 수 있는데, 이는 자기에 의한 것이다. 전기력과 자기력이 확실하게 구분되기 시작한 것은 16세기 말이며, 19세기 초에 전류에 의한 자기현상을 발견하면서 자기와 전기가 밀접한 관련을 맺고 있다는 것이 밝혀졌다. 그 후로 전자기학이 성립되었다.

전류가 흐르면 자성이 형성되고 자기력을 통해 전기가 생산되기도 하는 등 자기력과 전기는 밀접한 관계가 있으며, 이 둘의 관계로 인해 전자기력이란 하나의 힘이 탄생한다. 그것을 밝힌 학문이 위대한 물리학자 맥스웰의 전자기학이다. 전자기학에 의하면, 전기력에서 (+)와 (-)가 존재하는 것과 달리, 자기력에는 홀극이 존재하지 않는다. 홀극을 가진 자성물질은 아직 발견되지 않았다. 다시 말하면, 자기력에서는 N극과 S극이 항상 붙어다닌다는 의미이다.

자기력은 전기력과는 달리 그 원인을 기술하는 것이 쉽지 않다. 실제로 학부과정에서의 전자기학에서 다루는 자기력은 전부 전류나 전기장의 변화에 의해 나타나는 자기력으로 이는 실생활에서의 볼 수 있는 자석의 원리와는 다소 거리가 있다.(미시적으로 보면 맞는 이야기지만) 냉장고에 붙이는 자석에 전기가 흐르고 있는 것은 아니기 때문이다. 일반적으로 자기력의 원인을 기술하기 위해서는 원자 내부에서 전자의 움직임을 '전류'로 생각하는 과정이 필요하고, 이 과정에서 양자역학이 동원된다. 이런 관점에서 보았을 때, 모든 물질은 자성체라고 할 수 있으며, 자성의 종류는 상자성, 반자성, 강자성의 3가지 종류로 분류할 수 있다. 실제로는 이 외의 사례들도 있지만 일반적으로는 이 3가지로 분류가 가능하다.

역사

자기는 예를 들면, 자석이 쇳조각을 끌어당기거나 전류에 작용을 미치는 성질을 말한다. 넓게는 이러한 현상 자체를 말하기도 한다. 마찰전기(정전기)의 인력과 함께 BC 5세기∼BC 4세기경부터 알려져 있던 것으로, 그리스신화 등 고대문학에서도 천연자석인 자철석(磁鐵石)이 지니는 자기에 관한 기록을 종종 볼 수 있다. 자석을 뜻하는 영어인 magnet는 옛날에 자철석의 산지였던 소아시아 서부의 마그네시아(Magnesia)에서 유래한다고 한다. 그러나 자기의 인력(引力)이 처음부터 전기의 인력과 구별해서 생각된 것은 아니다.

자극(磁極)은 1269년 프랑스의 P.펠레그리누스가 발견하였으나, 전기력과 자기력의 차이가 명확히 구별된 것은 16세기 말경이며, 영국의 길버트가 실험에 입각해서 쓴 저서 《자석에 대하여》(1600)는 자기의 기본현상을 계통적으로 밝힌 것으로 알려져 있다. 이 때문에 길버트는 '자기학의 아버지'라고 불린다. 그 후 1820년 덴마크의 외르스테드가 전류의 자기작용을 발견하였으며, 1831년 영국의 패러데이가 전자기유도(電磁氣誘導)를 발견함으로써 자기현상과 전기현상의 밀접한 관계가 밝혀진 후 전기학과 자기학을 통합한 전자기학이 성립되었다. 물리학에서 물질 특히 강자성체(强磁性體) 등의 자기적인 성질을 해명하는 것은 물성론(物性論)의 중요한 과제이다.

자성의 종류

• 강자성: 외부 자기장이 없는 상태에서도 자화되는 물질의 자기적 성질을 말하는데, 보통 일상생활에서 볼 수 있는 자석의 같은 힘을 말한다.
• 반강자성
• 준강자성
• 상자성: 외부의 자기장이 있으면 자기적 성질을 가지지만, 외부의 자기장이 사라지면 자기적 성질이 사라진다.
• 초상자성
• 반자성: 자기장에 대한 물질의 약한 반발력
• 초반자성: 저온의 특정 물질에서 발생하는 현상으로 자기 투자율이 전무한 (즉 자기 투자율 = −1) 그리고 내부 자기장을 축출하는 특징을 지니는데, 초저온 자기부상의 원리가 된다.
• 메타자성
• 스핀 글라스
• 스핀 아이스

참고자료

• 〈자기〉, 《나무위키》
• 〈자기〉, 《두산백과》
• 〈자기〉, 《위키백과》

같이 보기

• 자기
• 물리
• 자석
• 자기장
• 자기력
• 나침반
• 맥스웰 방정식

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