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자석이 궁금해?!

ⓒ픽사베이

 

‘착!’ 하는 소리와 달라붙는 매미 자석을 가지고 놀았던 경험이 있으신가요? 저는 어렸을 때 자석을 가지고 노는 것을 좋아해, 자석의 달라붙는 성질의 원리에 관해서도 궁금증이 많았던 것 같아요. 이번 기사는 ‘냉장고’, ‘휴대전화’, ‘신용카드’ 등에서 다양하게 쓰이며 우리 실생활 어디서든 쉽게 볼 수 있는 자석에 대해 낱낱이 파헤쳐 보는 시간을 가져보려고 합니다. 자석에는 어떤 비밀이 숨어 있을까요?

 

자석의 유래

자석의 역사는 언제부터 일까요? 쇳조각을 끌어당기는 물질인 ‘자석’, 자석의 유래는 기원전 6세기경 그리스의 마그네시아 지역에서 자철광이 많이 발견되면서부터 시작되었다고 해요. 우리에게 조금 생소하게 느껴지는 ‘자철광’이라는 광물은 자석의 끌어당기는 힘인 ‘자성’을 띠는 검은색 산화철 광물입니다. 자철광을 영어로 ‘magnetite’로 칭하고 있는 것만 보아도 자석 즉, ‘Magnet’의 어원이 되었음을 알 수 있겠죠.

 

그렇다면, 자석은 과거에 어떻게 활용되었을까요? 기원전 3세기경 중국에서는 최초로 철, 코발트, 니켈 등의 여러 물질과 혼합한 자석인 영구자석을 발명하면서, 자철광의 부족한 자성을 보완해 자석을 물건으로 만드는 것에 본격적으로 활용하기 시작했습니다. 다른 물질과의 혼합으로 외부의 충격에도 자성을 잃지 않는 강한 자기력을 갖는 ‘영구자석’은 자석의 활용도를 높이는 역할을 했습니다. 이렇게 탄생했던 대표적인 물건이 바로 우리가 잘 알고 있는 ‘나침반’이랍니다. 나침반은 평평한 바닥에 두면 지구의 자기장의 영향을 받아 회전하게 되면서 침이 이동하여 방향을 알려주며 과거 사람들의 바다 항해 시 길을 잃어버리지 않도록 해주기도 하였죠. 자철광을 가공하지 않은 채 본연의 성질대로 두었더라면 자석은 오늘날까지 우리 실생활의 중요한 부분을 차지하는 물건이 되지 못하였을 것입니다.나침반이 없었더라면 15세기 콜럼버스가 엄청난 여정의 항해를 할 수도 없었을 것이며 신대륙 발견하지도 못했겠죠.

 

ⓒ픽사베이

 

자석은 어떤 원리를 통해 나침반에도 사용될 수 있었으며, 현재의 휴대전화, 텔레비전 등의 가전제품에도 활용될 수 있는 걸까요?

 

자석의 원리

자석의 원리를 알아보기 위해서는 자석에 의하여 발생한 힘인 ‘자기력’이 어떻게 작용하는지 알아볼 필요가 있습니다. 전기 현상을 일으키는 물질의 성질인 ‘전하’, N극과 S극이 일정한 거리로 떨어져 있는 ‘자기 쌍극자 모멘트’는 그 위치에 따라 받는 자기력이 달라집니다. 이 차이를 나타내기 위해 정의한 물리량이 ‘자기장’이라고 할 수 있어요. 자기장을 나타내는 단위를 ‘테슬라’라고 합니다. 이렇게 작용하는 자기력은 밀거나 당기는 성질을 보이게 되는데요. 그 힘은 자성을 가진 물체 사이의 거리가 가까울수록 크게 작용한다고 해요.

 

ⓒ클립아트코리아

 

자기장 안에서 가장 자성이 센 부분인 자석의 ‘극’을 어떻게 인접시키느냐에 따라 밀어낼 수도 혹은 당기는 성질을 나타낼 수도 있어요. 자석에는 우리가 잘 알다시피 N극과 S극이 존재하며, 같은 극끼리는 같은 부호의 전하를 가지고 있어서 인접시켰을 때 서로 밀어내는 힘인 ‘척력’이 발생하고, 서로 다른 극끼리는 다른 부호의 전하를 가지고 있어 인접시켰을 때 서로 당기는 힘인 ‘인력’이 발생한답니다.

 

이러한 성질을 가지고 있는 자석을 철, 금속 등의 ‘자성’을 가진 물체와 만나게 한다면 끌어당기는 힘이 발생하게 되는데, 이 경우 위에서 언급한 ‘인력’이 발생한 것이라 볼 수 있겠네요. 우리가 흔히 알고 있는 ‘중력’ 또한 물체 사이에 보편적으로 작용하는 ‘인력’인 ‘만유인력’으로 볼 수 있답니다.

 

지구도 자성을 가진 물체 중 하나이기 때문에 나침반에 자기력을 가해 자기장을 형성하고, 따라서 위치에 따른 자기력의 차이로 인해 나침반의 자석 바늘이 돌아가 방향을 가리키게 되는 것이죠. 우리 생활에서 자주 쓰이는 냉장고 부착용 자석 또한 서로 다른 부호의 전하를 가진 N극과 S극은 서로 끌어당긴다는 인력을 이용하죠.

 

자석의 비밀

N극과 S극이 명확히 나누어져 있는 막대자석을 반으로 쪼개면 N극과 S극이 반으로 분리된다고 상상해보신 적 없으신가요? 자석은 우리의 상상과는 달리 더 엄청난 힘을 가진 물질임을 지금부터 말씀드리려 합니다.

 

ⓒ구나현 제작

 

자석은 떨어뜨려 충격을 가하거나, 높은 온도로 가열하지 않는 이상 자성이 사라지지 않습니다. 쪼갠다고 해도 사용할 수 있죠. 그렇다면 N극과 S극은 과연 분리될 수 있을까요? 재미있게도 아무리 N극과 S극은 반으로 쪼개도 마치 뫼비우스의 띠처럼 새로운 N극과 S극을 만들어 낸다고 합니다. 그 이유는 자석 속의 전자들은 서로 반대 방향으로 운동하여 한 쌍을 이루고 있기 때문이에요. 따라서 자석을 잘라내더라도 자석을 이루는 기본 전자들의 성질에 반하여 자석을 이룰 수는 없는 것입니다.

 

ⓒ픽사베이

 

이렇게 강력하고도 특이한 성질은 가진 우리의 자석은 새로운 미래 기술 개발에도 널리 적용되고 있습니다. 특히, 우주 환경을 분석하는 인공위성에도 활용되는데요. 진동을 제어하여 장비의 파손 및 변형을 막기 위해 영구자석의 밀어내는 힘, ‘척력’을 이용하고 있습니다. 현재뿐 아니라 미래에도 우리 삶에 꼭 필요한 물질로서 자석이 활용될 수 있을 거라는 생각이 듭니다. 오늘은 자석에 대해 알아보았는데요. 우리의 삶을 윤택하게 만들어주는 자석, 정말 대단하지 않나요?

 

 

 


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