자석에 관한 과학 상식
자석은 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 물체로 생활 속에서 다양하게 사용된다. 자석은 자성을 띠며 자기장을 형성하고 철로 된 물체를 끌어당기는 힘이 있다.
1. 자석이란?
자석은 자석 주위에 자기장을 형성하고 다른 물체와 자기적으로 상호 작용하는 물체이다.
2. 자석의 발견
자석은 영어로 마그넷(magnet)이라고 하며, 마그넷이라는 용어의 기원은 두 가지 설이 있다. 먼저, 마그네스라는 목동이 산에서 철이 땅에 달라붙는 것을 보고 천연 자석을 발견하였으며, 목동의 이름을 따서 자석을 마그넷이라고 부르게 되었다고 한다. 또 다른 설은 쇠를 끌어당기는 돌이 마그네테스족의 나라(마그네시아)에서 처음 발견되었으며, 그 지역의 이름을 따서 그리스인들이 마그넷이라고 부르게 되었다고 한다.
3. 자기장과 자성
자기력이 작용하는 공간을 자기장이라고 하고, 물질이 나타내는 자기적 성질을 자성이라고 한다. 자기장에 반응하는 유형에 따라 자성은 강자성, 상자성, 반자성으로 구분된다. 강자성은 주변에 자석이 있을 때 자석의 자기장 방향과 같은 방향으로 물질 내부에 강한 자기장이 형성된다. 철, 니켈, 코발트 등이 강자성을 지닌다. 상자성은 내부에 생기는 자기장의 방향이 강자성과 같으나 매우 약하며, 산소, 알루미늄, 나트륨 등이 상자성을 지닌다. 반자성은 자석에 의해 자기장과 반대 방향으로 내부에 자기장이 약하게 생기는 경우이다. 이때 자석과 반자성체는 서로 미는 힘이 작용하며, 구리, 납, 수은, 질소 등이 반자성을 지닌다.
4. 재질에 따른 자석의 종류
- 페라이트 자석 : 망가니즈, 코발트, 니켈 등의 산화물과 철로 만든 자석으로, 전자 공업에 널리 쓰인다. 스피커, 이어폰, 자기 헤드, 전동기 등에 사용된다.
- 알니코 자석 :알루미늄, 니켈, 코발트, 철의 합금으로 만든 자석으로, 가장 광범위하게 사용되는 영구 자석이다. 정밀도가 요구되는 경우에 많이 사용된다.
- 희토류 자석 : 희토류 광물을 주재료로 만든 자석이다. 네오디뮴 자석은 희토류 자석 중 하나로, 현재 가장 강력한 자석을 만들 수 있다. 네오디뮴 자석은 작은 크기라도 손에 심각한 상처를 줄 수 있으므로 주의해야 한다. 또한 네오디뮴 자석을 보관할 때에는 두 개의 자석 사이에 플라스틱 조각을 끼워 보관한다. 소형 전동기나 가방의 잠금장치 등에 많이 사용된다.
5. 모든 금속은 자석에 붙는다?
자석에 잘 붙는 물질에는 철, 니켈, 코발트와 철-니켈 합금, 철-코발트 합금과 0.9 % 이하의 탄소가 함유된 탄소강이 있다. 반면에 철에 다른 물질을 섞은 합금과 탄소를 0.9 % 이상 섞은 탄소강은 자석에 붙지 않는다. 예를 들면 음료수 캔이나 통조림 캔은 대부분 알루미늄 캔인 경우가 많은데 이것들은 자석에 붙지 않는다.
6. 자석과 철로 된 물체 사이에 끌어당기는 힘이 작용하는 까닭
자석과 자석에 붙는 철로 된 물체는 내부에 작은 자석을 가지고 있다. 자석 내부에는 자석들이 한 방향으로 정렬되어 있지만, 자석에 붙는 철로 된 물체 내부에는 작은 자석들이 흐트러져 제각기 다른 방향을 가리키고 있다. 자석에 붙는 철로 된 물체에 자석을 가까이 가져가면 철로 된 물체 내부의 작은 자석들이 가까이 가져가면 철로 된 물체 내부의 작은 자석들이 가까이 있는 자석에 의한 자기장의 영향으로 한 방향으로 늘어서게 된다. 이렇게 되면 자석에 붙는 철로 된 물체도 순간적으로 자석의 성질을 띠기 때문에 가까이 한 자석과 서로 인력이 작용한다.
7. 자석의 극
자석의 극은 자석의 자기장에서 가장 자성이 센 부분으로 자석의 양쪽 끝부분이다. 자석의 극을 '자극'이라고도 하며, 자석에 클립과 같이 철로 된 물체를 붙여 보면 가운데에는 잘 붙지 않고 양쪽 끝에 많이 붙는 것을 볼 수 있다. 자석의 극은 항상 두 개, 즉 N 극과 S 극으로 존재한다. 따라서 자석을 아무리 작게 쪼개도 자석마다 항상 N 극과 S 극이 있으며, N 극과 S 극은 독립적으로 존재하지 않는다.