자기화란 자석이 아닌 물체가 자석의 성질을 띠게 되는 것을 말한다. 자석이 물체를 끌어당기는 힘을 자기력이라고 하고, 자기력이 미치는 공간이 바로 자기장이다.
1. 자기화
자석이 아닌 물체가 자석의 성질을 띠게 되는 것을 자기화라고 한다. 그림과 같이 철과 같은 강자성체는 외부 자기장이 없을 때 작은 자석들이 여러 방향으로 정렬되어 있다. 그런데 강자성체에 외부 자기장을 가하면 작은 자석들이 일정한 방향으로 배열하게 되어 자석의 성질을 띠게 된다. 다시 외부 자기장이 없어지면 작은 자석들이 흐트러지기 시작하지만, 자성은 오래 유지된다.
2. 자석으로 머리핀을 문질러서 자석의 성질 띠게 하기
막대자석의 한쪽 극을 머리핀에 한쪽 방향으로 문질러서 머리핀이 자석의 성질을 띠게 할 수 있다. 예를 들어 막대자석의 N극을 머리핀의 둥근 쪽에서 뾰족한 쪽으로 여러 번 문지르면 머리핀 내부의 작은 자석들의 S극이 머리핀의 뾰족한 부분 쪽으로 배열하게 된다. 따라서 머리핀의 둥근 부분은 N극으로 자기화되고, 머리핀의 뾰족한 부분은 S극으로 자기화된다.
3. 자석의 극 사이에 작용하는 힘
자석의 같은 극끼리는 서로 밀어내는 힘이 작용하고, 다른 극끼리는 끌어당기는 힘이 작용한다. 이러한 자석 사이에 작용하는 힘은 자석 주위에 철 가루를 뿌려 보면 알 수 있다.
두 자석을 같은 극끼리 놓고 자석 주변에 철 가루를 뿌려 보면 극과 극 사이의 철 가루가 서로 밀어내는 모양으로 배열되는 것을 볼 수 있다.
두 자석을 다른 극끼리 놓고 자석 주변에 철 가루를 뿌려 보면 극과 극 사이의 철 가루가 부드럽게 연결되는 것을 볼 수 있다. 이렇게 철 가루 모양을 보고 자석의 극 사이에 작용하는 힘을 유추해 볼 수도 있다.
4. 자석 주위의 자기장과 자기력선
자석은 철과 같은 금속을 끌어당기는 힘이 있는데, 이와 같이 자석이 물체를 끌어당기는 힘을 자기력이라고 한다. 자기력은 자서의 양쪽 극에서 가장 강하고 극에서 멀어질수록 약해지는데, 이러한 자기력이 미치는 공간이 자기장이다.
자기장은 눈으로 볼 수 없지만 자석 주위에 철 가루를 뿌렸을 때 철 가루가 배열되는 모양을 보면 자기장을 확인할 수 있다. 이때 자석 주위에서 철 가루가 일정한 모양으로 배열되는 것을 볼 수 있다.
자석 주위에 나침반을 놓으면 나침반 바늘도 자기장을 따라서 정렬한다. 자기장의 방향은 그 지점에 놓은 나침반 바늘의 N극이 가리키는 방향이다. 즉 자기장 내에서 나침반 바늘의 N극이 가리키는 방향을 연결하는 선을 자기력선이라고 한다.
자기력선은 자석의 N극에서 나와 S극으로 들어가며, 도중에 교차되거나 끊어지지 않는다. 자기장이 센 곳은 자기력선이 조밀하게 나타나고, 자기장이 약한 곳은 자기력선이 듬성듬성하게 나타난다. 막대자석에서 자석의 N극과 S극에 가까울수록 자기력선이 조밀한 것으로 보아 자기장은 자석의 극에 가까이 갈수록 세어지고, 자석의 극에서 멀어질수록 약해진다는 것을 알 수 있다.
5. 지구 자기장과 오로라
지구는 거대한 자석이므로 지구 주위에도 자기장이 형성된다. 이 자기장을 지구 자기장이라고 한다. 지구 자기장은 우리의 생명을 보호하고 아름다운 오로라를 만들어 준다. 지구 자기장과 지구 대기는 태양풍과 우주에서 끊임없이 날아오는 우주선으로부터 지구상의 생명체를 보호하는 역할을 한다. 태양풍과 우주로부터 쏟아져 들어오는 입자들은 전기를 띠고 있으며, 이러한 입자들이 지구 자기장 영역에 들어오면 곧바로 지구로 들어오지 못하고 지구 자기력선을 따라 이동하다가 일부가 지구 자기의 북극과 남극으로 끌려 들어온다. 지구로 끌려 들어온 대전 입자들이 극지방 대기 중의 산소, 질소 등과 만나면서 충돌하여 빛을 내는 현상이 바로 오로라이다.
6. 지구 자기장의 세기
자기장의 세기를 나타내는 단위는 G(가우스)이다. 이 단위는 전기와 자기에 대해 많이 연구했던 독일의 수학자 가우스를 기념하여 붙여진 것이다. 학교에서 흔히 사용하는 막대자석의 자기장의 세기는 약 100 G, 냉장고에 붙이는 자석 병따개의 자기장의 세기는 약 300 G ~ 500G이다. 지구 표면에서 지구 자기장의 세기는 0.25 G ~ 0.65G로 그 세기가 약하다. 지구에서 쇠붙이가 지구 표면으로 끌려가는 것을 관찰하기 어려운 까닭은 지구가 거대한 자석이지만 지구 자기장의 세기가 약하기 때문이다.