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자석
자석(磁石, Magnet)은 자성을 지닌 물체이다. 지남철(指南鐵)이라고도 한다. 자연적으로는 자철석 등 일부 광석에서 발견되며 이를 천연자석이라고 한다. 또한 인공적으로 만들기도 한다. 천연자석이 풍부했던 마케도니아 지방의 마그네시아(Magnesia)의 이름이나 이오니아 지방의 마그네시아 시(the City of Magnesia)의 이름에서 유래했다는 주장이 있다. 이 지역에서는 플리니(Pliny)의 신화속에서 목자들이 가축들을 방목할때 그들의 신발과 지팡이가 매우 빨리 닿는 현상이 나타났다고 한다. Magnet(자석)이란 이름은 플라톤에 의하면 그리스 시인인 에우리피데스(Euripides)가 이름을 붙였다고 한다. 이집트인들은 자석을 호루스(Horus)의 뼈라고도 불렸다고 한다.
개요
쇳조각을 끌어당기는 물질을 자석이라고 한다. 쇳조각을 끌어당기는 힘은 자기력인데, 미소적으로 이 자기력은 움직이는 전하 또는 자기모멘트가 또 다른 움직이는 전하 또는 자기모멘트에 작용하는 힘이다. 자석이 물질을 끌어당기는 현상을 자기라고 한다.
자석(magnet) 또는 자기(magnetism)의 어원은 기원전 6세기경 그리스(또는 터키)의 마그네시아(Magnesia) 지역에서 많이 산출되던 자철광(magnetite)으로부터 유래된 것으로 전해진다. 기원전 3세기경 중국에서는 이미 지남성 자침을 격자형 도시를 설계하는 풍수지리용으로 사용한 기록이 있었고 11세기 들어서 중국에서 최초의 인공 영구자석이라고 할 수 있는 철로 된 자침을 이용한 나침반이 발명되어 항해에 이용되기 시작하였다. 이후 나침반 기술은 유럽에서 더욱 발전되어 15세기 콜럼버스(C. Columbus, 1451-1506)의 신대륙 발견 등 위대한 항해를 가능하게 하였다. 16~17세기에 걸쳐서 지자기의 존재와 말굽자석의 발명으로 영구 자성을 띠는 물질에 대한 연구를 통한 자기에 대한 과학적 접근이 이루어졌다.
우리가 주위에서 흔히 보는 자석은 영구자석으로 외부 자기장이 없이도 자기 현상을 나타내는 자성을 지닌 물질이다. 영구자석은 강자성 물질로 만든다. 대표적인 강자성 물질에는 철, 코발트, 니켈 등 전이금속과 네오디뮴, 가돌리늄 등 희토류 물질이 있다. 자연에서 얻어진 강자성 물질은 보통의 경우 자기를 띠지 않는데 이 강자성체에 외부 자기장을 걸어주면 자기장 방향으로 자기화된다. 이것은 마치 나침반의 바늘이 자기장 안에서 일정한 방향을 가리키며 배열하는 것과 유사하게 강자성체 내부의 자기모멘트들이 일정한 방향으로 정렬하기 때문이다. 강자성 물질은 이 외부 자기장을 제거해도 자기모멘트들의 방향이 완전히 초기화되지 않고 정렬된 채로 남아있어서 자성을 잃지 않는 특징을 갖는 물질이다. 이렇게 만들어진 자석을 영구자석이라고 부른다. 자화된 강자성체 물질의 자기는 온도를 올려주면 다시 사라지는데 자성을 완전히 잃게 되는 온도를 퀴리온도(Curie temperature)라고 부른다. 퀴리온도는 강자성체 물질들의 고유한 성질이다.
자석은 형태에 따라서 막대자석, 말굽자석, 고리자석 등이 있다. 지구도 하나의 커다란 자석과 같이 주위에 지자기장을 형성하는데 이 때 나침반 바늘 중 지구 북극을 가리키는 쪽을 자기 N극, 남극을 가리키는 쪽을 자기 S극이라고 하고 이 둘을 자극(magnetic pole)이라고 부른다.
구조
강자성체는 0.01mm 정도의 작은 자구로 이루어져 있고, 그 자구가 서로 다른 여러 방향을 이루기 때문에 전체적으로는 상쇄되어 자성을 띠지 않는다. 외부에서 자장이 걸리면 이 자구의 경계를 이루는 자벽(磁壁)이 움직여서 자장의 방향으로 향하는 자구가 커지고 반대쪽을 향해 있는 자구를 병합해서 자장의 방향으로 간추려진 자구만으로 바뀐다. 자벽의 이동은 결정 속의 극히 미세한 석출물이나 내부 의곡(歪曲) 등이 방해한다. 그래서 자벽의 이동에 대한 장해물이 많은 재료는 외부의 자장을 강하게 하지 않으면 자벽이 이동하지 않는다. 그 반면에 일단 자벽이 이동되고 나면 쉽사리 먼저의 상태로 되돌아가는 일도 없으므로, 외부 자장을 없애 버려도 잔류 자기가 강하게 남는다.
재료
고탄소강을 열처리해 마르텐사이트 조직으로 만들고 강한 내부 의곡을 형성시킨 것과 이에 텅스텐이나 크롬을 첨가해서, 마텐자이트 조직에 탄화물의 미립자를 석출시킨 것 등이 이용되어 왔다. 오늘날 어린이 장난감 자석에는 크롬강이 쓰이고 있다. 고성능의 영구자석 재료로는 ＳＫ강·ＭＫ강·ＯＰ강 등은 모두 영구자석에 쓰기 위하여 특별히 고안된 자석강이다. ＭＫ강은 종래의 열처리경화형(熱處理硬化型)의 자석광과는 달리 석출경화에 의해 자벽 이동의 장해물을 형성하는 점에 특징이 있으며, ＯＰ강은 철과 코발트 산화물의 분말을 응고시킨 것으로서, 오늘날의 미립자 자석(페라이트자석 등)은 이에서 발전한 것이다. 스피커나 전기계기에 쓰이고 있는 영구자석의 대부분은 ＭＫ강의 개량형이며, 바륨·페라이트를 이용한 미립자 자석도 크게 발전하고 있다.
자석의 종류
고체 자석
- 일반적인 자석
일반적인 자석은 막대자석과 U자형 자석(말굽자석) 등 여러 가지 형태로 나오고 있다.
- 막대자석 - 가장 흔히 볼 수 있는 자석으로, 네모 모양의 모난 막대자석과 원기둥 모양의 둥근 막대자석이 있다.
- U자형 자석 - 흔히 말굽자석으로도 불린다. 막대자석과 함께 교보재용으로 가장 많이 쓰이는 자석으로, 만화나 게임 등의 서브컬처에서 자석의 대표 이미지로 가장 많이 쓰인다.
- 둥근 자석 - 주로 냉장고 부착물(병따개 등)에서 볼 수 있는 둥근꼴의 자석. 얇고 납작한 단추처럼 생긴 것도 있다.
- 자석볼 - 최근에는 네오큐브, 마그네틱볼 등으로 일컫어지는 구형 자석이 키덜트 장난감으로 인기가 있다.
- 네오디뮴 자석
네오디뮴 자석은 네오디뮴, 붕소, 철을 2:1:14의 비율로 소결 방식으로 합금하여 만든 영구자석이다.
- 고무자석
고무자석은 고무처럼 물렁물렁한 자석이다. 자석은 금속 형태의 자석도 있지만 고무 형태의 자석도 있다. 우리가 흔히 접하는 냉장고에 붙이는 물렁물렁한 자석이 바로 고무자석이다. 고무자석은 자석가루와 CPE 수지를 섞어 만든 것으로, 고무 형태의 자석은 주로 전단지에 많이 사용되며 철로 만든 대문에 붙이기 쉽게 하기 위해 만들어졌다. 다만 고무자석의 자력은 일반 금속 자석보다 매우 떨어진다.
- 지구
지구 역시 하나의 거대한 자석이라고 볼 수 있다. 나침반은 이러한 지구 자기장을 이용해 만들어진 발명품이다.
- 중성자별
중성자별 중에서도 유달리 강력한 자기장을 가지는 마그네타(Magnetar)는 100억 테슬라 수준의 우주에서 가장 강력한 자기장을 지니고 있다. 그 자기장이 어찌나 강력한지 마그네타에 가까이 다가가면 물질을 이루는 원자들이 강력한 자기장에 의해 형태가 심하게 뒤틀리고 변형될 정도이다.
전자석
전자석은 연자성(Soft Magnet) 소재에 도선을 코일처럼 감아 놓은 것이다. 실생활에 이용되는 자석은 거의 전자석이나 다름없다. 응용에 매우 용이하기 때문이다.
경자석을 실제로 써먹자니 출력도 약할뿐더러, 필요할 때만 쓸 수가 없다. 이에 반해서 전자석은 전류를 공급할 때만 자석의 효과가 나오고 전류를 끊어버리면 그냥 쇳덩어리이므로 훨씬 쓰기 편하다. 일반적으로 쇠 자체는 자기를 한번 띄면 계속 자력을 유지하려 하므로 열가공을 하여 자성을 없앤 다음 쓴다. 초등학교 과학실습 때 쇠못을 달군 다음 전자석을 만드는 것도 이런 이치이다.
자성의 세기도 전류를 통해 조절 가능하다. 이 때에 자성을 만드는데 쓰이는 전류를 여자전류라 한다. 여자전류에서 여자는 힘쓸 려(勵)에 자석 자(磁)를 쓴다. 즉, 자력이 되는 전류라는 뜻이며 폐차장이나 고철 모으는 데서 쓰인다.
액체자석
액체자석은 유체 속에 미세한 자성체 가루를 넣어서, 유동성을 가미한 자석의 한 종류이다. 자석을 가져다 댔을 때, 자석의 세기와 자석과의 거리에 따라 뾰족뾰족한 모양에 변화가 생긴다(자기력선 등을 보는 실험에 자주 쓰인다). 스피커 등에 이용된다. 액체자석에 약물을 넣어 자석으로 치료 부위에 약을 모으는 치료법도 검토되고 있다. 최근 자석과 같은 자기장의 영향이 없을 때도 자성을 띠는 액체가 발견되었다.
참고자료
같이 보기
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