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자석은 어떠한 원리로 자성에너지를 계속해서 유지할 수 있는건지 궁금합니다.

안녕하세요. 김경태 과학전문가입니다.일시자석과 영구자석이 있다. 일시자석은 전자석의 철심(연철)과 같이 외부자기장을 제거하면 자성이 없어지는 것이고, 영구자석은 일단 자성을 가지면 외부자기장을 제거해도 장기간 자성을 보유하는 것으로, 자석강이라고 하는 강철을 강력한 자기장 하에서 자화시켜 만든다. 형태는 여러 가지이며, 막대 모양으로 만든 막대자석, U자형의 말굽자석 등이 있고, 이 밖에 소형의 영구자석을 수평면에서 자유롭게 회전할 수 있게 한 자침도 있다. 역사적으로는 고대 그리스나 고대 중국에서 이미 자연상태에서 자성을 지니는 자철석 등이 천연자석으로 알려져 있었으며, 12세기에는 그 자화력에 의해서 얻은 자침을 항해용 나침반으로 사용한 기록이 남아 있다.자석에는 예외 없이 자기력이 가장 강하게 작용하는 곳이 두 곳 있다. 이것을 자극(磁極)이라 하며, N극과 S극으로 구별된다. 즉, 자침처럼 자유로이 회전할 수 있도록 지지했을 때 북쪽을 가리키는 극이 N극, 남쪽을 가리키는 극이 S극이다. 지표면에 가까운 공간에서 자석이 이와 같이 남북방향을 향하는 것은 자극 사이에 힘이 작용하기 때문인데, 이 경우 지구라는 거대한 자석의 두 극이 지구자기장의 방향으로 축을 향하게 하는 짝힘[偶力]이 자석의 두 극에 미치기 때문이다. 일반적으로 자극과 자극 사이에 작용하는 힘을 자기력이라고 하는데, 그 힘의 크기로 자극의 세기(자기량)를 측정하며, 자극의 세기와 N,S 두 극 사이의 길이의 곱(자기모멘트)으로 자석의 세기를 나타낸다.자석은 이것을 둘로 절단해도 각각이 자석으로서의 성질을 유지하며, 이것을 다시 둘로 절단해도 각 단편이 자성을 계속해서 지니는 성질이 있다. 이와 같이 자석은 아무리 분할해도 항상 자성을 나타내는 데서, 일반적으로 자석을 구성하는 각 분자는 그들 자신이 처음부터 자석을 형성하고, 외부자기장의 작용으로 각 미소자석(磁氣雙極子라고 한다)의 자화 방향이 같은 쪽으로 배열되어 외부에 자성을 나타내게 된 것으로 생각되었다. 이런 식의 자기분자설은 1892년 영국의 유잉이 제창했으며, 1907년 프랑스의 P.와이스가 제창한 분자자기장의 가설을 거쳐 자기구역(磁氣區域)의 이론으로 발전하고, 현재도 자석뿐만 아니라 여러 물질이 지니는 자기적 성질을 설명하는 데 이용된다. 자석과 똑같은 작용이 전류를 원형회로에 통했을 때에도 나타난다. 이와 같은 원형회로의 자기작용을 이용한 자석이 1820년 프랑스의 아라고에 의해서 발명된 전자석(電磁石)이다. 이 자석은 흔히 철심 주위에 코일을 여러 겹 감은 것인데, 코일에 전류를 통했을 때만 자기력이 나타나는 일시자석이지만, 영구자석보다 강한 자기력을 얻을 수 있고, 전류의 세기에 따라 자화의 정도를 가감할 수 있는 이점이 있다. 이 때문에 전자석은 계전기 ·수화기를 비롯하여, 크게는 입자가속기(粒子加速器) 같은 강력한 자기장을 필요로 하는 것까지 넓게 응용된다

학문 / 물리

23.02.16

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