물리학 고2 전기와 자기

자성체와 자기력

강자성체·상자성체·반자성체 등 자성체의 종류를 알고 일상생활·산업 기술에서 자성체가 활용되는 예를 탐구한다. (12물리02-04)

물질이 자기장에 반응하는 성질을 자성이라 하고, 반응하는 방식에 따라 강자성체·상자성체·반자성체로 나눕니다.

자성의 뿌리는 전자의 움직임입니다. 원자 하나하나가 아주 작은 자석이고, 그 작은 자석들이 얼마나 잘 줄을 서느냐가 그 물질이 자석에 붙는지 아닌지를 결정합니다.

쉽게 말하면

전하와 전기장에서 전하가 전기 현상의 뿌리였듯, 자기 현상의 뿌리는 움직이는 전하입니다. 원자 속 전자는 핵 주위를 돌고 스스로 자전(스핀)하는데, 이 움직임이 곧 아주 작은 원형 전류이고, 따라서 원자 하나하나가 작은 자석(자기 쌍극자)입니다. 자성의 차이는 이 작은 자석들이 어떻게 배열되느냐에서 갈립니다.

강자성체(철, 니켈, 코발트 등)는 이웃한 원자 자석끼리 서로 방향을 맞추려는 성질이 강해, 수많은 원자가 같은 방향으로 정렬된 덩어리(자기 구역, 자구)를 이룹니다. 평소에는 자구들이 제각각 다른 방향을 향해 전체적으로는 자성이 없어 보이지만, 외부 자기장을 걸면 자기장 방향의 자구가 커지면서 강하게 자화되고, 자기장을 없애도 상당 부분 정렬이 남습니다 — 이것이 영구 자석입니다.

상자성체(알루미늄 등)는 원자 자석들이 서로 붙들어 주지 못해 열운동으로 마구 흩어져 있습니다. 외부 자기장을 걸면 아주 약하게 같은 방향으로 정렬되지만, 자기장을 치우면 곧바로 흐트러집니다. 반자성체(구리, 물, 흑연 등)는 외부 자기장이 걸리면 오히려 반대 방향으로 약하게 자화되어 밀려납니다.

강자성체를 세게 가열하면 열운동이 정렬을 이기게 되어 어느 온도(퀴리 온도) 이상에서는 강자성을 잃고 상자성처럼 행동합니다. 자석을 불에 달구면 자성이 사라지는 이유입니다. 한편 지구 자체도 커다란 자석처럼 행동하고(지구 자기장), 암석이 굳을 때 그 시절 지구 자기장 방향으로 자화된 기록이 남는 것을 이용하는 것이 고지자기 연구입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

클립이 자석에 붙는 이유

클립은 원래 자석이 아닙니다. 자석을 가까이 대면 클립 안의 자구들이 자석 쪽으로 정렬되어 일시적으로 자석이 됩니다(자화). 그 결과 클립의 자석 쪽 면에 반대 극이 생겨 끌려옵니다. 자석을 치우면 대부분 원래대로 흐트러져 자성을 잃습니다.
예시 2

클립이 클립을 매다는 실험

자석에 클립 하나를 붙이면 그 클립이 다시 자석이 되어 아래에 또 다른 클립을 매답니다. 자성이 옮아 가듯 이어지는데, 아래로 갈수록 정렬이 약해져 몇 개 못 가서 끊어집니다.
예시 3

자기 부상과 반자성

반자성체는 자기장을 밀어냅니다. 강한 자석 위에 흑연 조각을 올리면 살짝 떠 있는 것을 볼 수 있는데, 자석에 붙지 않는 물질이라고 자성과 무관한 것이 아님을 보여 줍니다.

세 가지 자성체

구분	강자성체	상자성체	반자성체
외부 자기장에 대한 반응	같은 방향으로 강하게 자화	같은 방향으로 매우 약하게 자화	반대 방향으로 매우 약하게 자화
자석에 대해	강하게 끌림	아주 약하게 끌림	아주 약하게 밀림
자기장을 없애면	자화가 상당 부분 남음	곧바로 사라짐	곧바로 사라짐
예	철, 니켈, 코발트	알루미늄, 산소	구리, 물, 흑연

자주 하는 오해

자석을 반으로 자르면 N극과 S극을 따로 얻을 수 있다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움가운데를 자르면 한쪽은 N극 조각, 다른 쪽은 S극 조각이 된다

실제로는잘린 조각 하나하나가 다시 N극과 S극을 모두 가진 온전한 자석이 됩니다. 아무리 잘게 쪼개도 마찬가지입니다.

전하는 (+)만, (−)만 따로 떼어낼 수 있지만 자기에는 그런 '자기 홀극'이 존재하지 않습니다. 자성의 근원이 애초에 도는 전자, 즉 원형 전류이기 때문입니다. 원을 반으로 잘라도 각 조각에는 여전히 도는 방향이 있고, 따라서 N과 S가 함께 따라옵니다. 전기력선은 (+)에서 시작해 (−)에서 끝나지만, 자기력선은 끝이 없이 닫힌 고리를 이룹니다.

자성을 전기와 무관한 별개의 힘이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움전기는 전하가 만들고, 자성은 자석이라는 특별한 물질이 만드는 별개의 현상이다

실제로는자성의 근원도 결국 전하입니다. 정확히는 움직이는 전하, 즉 전류입니다.

영구 자석 안에는 전지도 도선도 없지만, 원자 속 전자들의 궤도 운동과 스핀이 미시적인 전류 고리를 이룹니다. 그 고리들이 같은 방향으로 줄을 서면 자석이 되는 것입니다. 그래서 도선에 전류를 흘리면 자석 없이도 자기장이 생기고(전자석), 전기와 자기가 결국 하나의 이론(전자기학)으로 합쳐집니다.