자석의 작동 원리

자석은 특정 금속을 끌어당기고 북극과 남극이 있다는 것을 알고 있을 것입니다. 반대쪽 극은 서로 끌어당기고, 같은 극은 서로 밀어냅니다. 자기장과 전기장은 서로 연관되어 있으며, 자기력은 중력, 강력하고 약한 원자력과 함께 우주의 4가지 기본 힘 중 하나입니다.

그러나 이러한 사실 중 어느 것도 가장 기본적인 질문인 '자석이 특정 금속에 달라붙게 만드는 것은 정확히 무엇입니까?'에 대한 답은 아닙니다. 아니면 왜 다른 금속에는 붙지 않는 걸까요? 위치에 따라 서로 끌어당기거나 밀어내는 이유는 무엇입니까? 그리고 네오디뮴 자석이 우리가 어렸을 때 갖고 놀았던 세라믹 자석보다 훨씬 더 강한 이유는 무엇일까요?

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이러한 질문에 대한 답을 이해하려면 자석에 대한 기본 정의를 아는 것이 도움이 됩니다. 자석은 자기장을 생성하고 철, 니켈, 코발트와 같은 금속을 끌어당기는 물체입니다. 자기장의 힘선은 자석의 북극에서 나와 남극으로 들어갑니다. 영구 자석이나 단단한 자석은 항상 자체 자기장을 생성합니다. 임시 자석이나 연자석은 자기장이 있는 동안과 자기장을 벗어난 후 잠시 동안 자기장을 생성합니다. 전자석은 전기가 와이어 코일을 통해 이동할 때만 자기장을 생성합니다.

전자와 양성자는 작은 자석이기 때문에 모든 물질은 일종의 자기 특성을 가지고 있습니다. 그러나 대부분의 물질에서 전자가 반대 방향으로 회전하는 방식은 원자의 자기 특성을 상쇄합니다. 금속은 자석을 제조하는 데 가장 일반적인 선택입니다. 일부는 단순한 금속으로 만들어지지만 합금이라고 불리는 금속의 조합은 서로 다른 강도의 자석을 생성합니다. 예를 들어:

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오늘날의 많은 전자 장치가 작동하려면 자석이 필요합니다. 자석에 대한 이러한 의존은 비교적 최근에 이루어졌습니다. 왜냐하면 대부분의 최신 장치에는 자연에서 발견되는 것보다 더 강한 자석이 필요하기 때문입니다. 자철석의 한 형태인 로드스톤(Lodestone)은 자연적으로 발생하는 자석 중 가장 강한 것입니다. 종이 클립이나 스테이플과 같은 작은 물체를 끌어당길 수 있습니다.

12세기에 사람들은 자철석을 사용하여 철 조각을 자화시켜 나침반을 만들 수 있다는 것을 발견했습니다. 쇠바늘을 따라 한 방향으로 자철석을 반복적으로 문지르면 바늘이 자화됩니다. 그런 다음 매달아 놓을 때 남북 방향으로 정렬됩니다. 결국 과학자 윌리엄 길버트(William Gilbert)는 자침의 남북 정렬은 지구가 북극과 남극을 가진 거대한 자석처럼 행동하기 때문이라고 설명했습니다.

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나침반 바늘은 오늘날 사용되는 많은 영구 자석만큼 강하지 않습니다. 그러나 나침반 바늘과 네오디뮴 합금 덩어리를 자화시키는 물리적 과정은 본질적으로 동일합니다. 이는 철, 코발트, 니켈과 같은 강자성 물질의 물리적 구조의 일부인 자기 도메인으로 알려진 미세한 영역에 의존합니다. 각 도메인은 본질적으로 북극과 남극이 있는 작은 독립형 자석입니다. 자화되지 않은 강자성 물질에서는 각 도메인의 북극이 임의의 방향을 가리킵니다. 반대 방향으로 향하는 자기 구역은 서로 상쇄되므로 재료는 순 자기장을 생성하지 않습니다.

반면에 자석에서는 대부분 또는 모든 자구가 동일한 방향을 가리킵니다. 서로 상쇄되는 대신 미세한 자기장이 결합하여 하나의 큰 자기장을 생성합니다. 동일한 방향을 가리키는 도메인이 많을수록 전체 필드가 ​​더 강해집니다. 각 도메인의 자기장은 해당 도메인의 북극에서 앞에 있는 도메인의 남극까지 확장됩니다.

이것은 자석을 반으로 부수면 북극과 남극이 있는 두 개의 작은 자석이 생성되는 이유를 설명합니다. 또한 반대 극이 끌어당기는 이유도 설명합니다. 자력선은 한 자석의 북극을 떠나 자연스럽게 다른 자석의 남극으로 들어가 본질적으로 하나의 더 큰 자석을 생성합니다. 극과 마찬가지로 힘의 선이 반대 방향으로 이동하고 함께 움직이기보다는 서로 충돌하기 때문에 서로 밀어냅니다.