어린아이의 장난감에서 최첨단 기기에까지 공통적으로 들어 있는 것이 자석이다. 또 집안의 가전제품들 속에 '약방의 감초' 노릇을 하고 있는 것이 자석이다.
우선 집안에 있는 냉장고 문을 열어 보면 여기 어디에 자석이 있을까 하겠지만 문을 여는 순간 우리는 자석 사이에 작용하는 힘을 느낄 수 있다. 냉장고 문의 모서리에는 자석이 들어가 있기 때문에 문이 닫히면 자석은 문을 냉장고와 밀착시켜 외부 공기의 유입을 막아준다. 또 모터에는 전자석이 들어 있어 냉장고를 가동시키는 데 중요한 역할을 담당하고 있다.
자석을 처음 가지고 놀았을 때의 경험을 떠올려 보자. 무척 흥미로와 했던 경험이 있을 것이다. 무언가 끌어당기기도 하고, 서로 밀어내기도 하는 자석은 과거에도 많은 사람들의 호기심을 자아냈다. 자기(magnetism)라는 말은 약 2천5백년전에 그리스 사람이 에게해의 마그네시아라는 섬에서 철조각을 끌어 당기는 특이한 돌을 발견한데서 유래한다.
자석이 처음으로 인류 문화에 기여한 것은 나침반이다. 항해하는 선원들이 태양 빛이 흐릴 때나, 밤에 배의 방위를 알기 위해 자석과 바늘을 사용했다. 중국인들은 천연자석의 나침반을 기원전 4세기부터 사용했다.
자석을 사용했다는 기록이 있는 가장 오래된 문헌은 같은 시대의 '귀곡자(鬼谷子)'에 나타나 있다. 그 한 구절은 다음과 같다. "정(鄭)나라의 사람들은 옥(玉)을 가지러 갈 때, 길을 잃지 않도록 지남기(指南器:남쪽을 가리키는 기구란 뜻으로, 당시의 나침반은 모두 남쪽을 가리키는 것이 선호됐다)를 가지고 간다."
이후 중국의 나침반은 수저 또는 국자 형태의 바늘이 북극을 가리키는 별자리인 큰곰자리를 나타내도록 돼 있다. 차츰 강철 바늘이 출현하면서 물에 띄우거나 실로 고정해서 사용하는 항해용 나침반이 등장했다.
나침반을 들고 북쪽으로 가면
나침반이 지구의 남북을 가리키는 이유는 무엇일까. 이 사실을 설명한 사람은 16세기 영국의 물리학자인 윌리엄 길버트다. 길버트는 자석에 철조각을 문질러 인위적인 자석으로 만들었으며, 나침반이 항상 북쪽을 가리키는 이유는 지구가 자기적인 성질을 가지고 있기 때문이라고 설명했다.
이제 나침반을 들고 나침반이 가르키는 쪽으로 계속 가보자. 과연 도착지점이 지구의 북극일까. 안타깝게도 우리가 도착할 곳은 지구의 북극이 아니다. 지리상의 남북축은 자석이 가리키는 남북축과 일치하지 않는다.
실제로 지리적인 남북축과 자석이 가리키는 축은 11도 정도의 차이를 보이고 있다. 해마다 자북(자기 북극의 방향)이 0.1도 정도 변하는 것이 관측되고 있다. 예를 들면 자기북극은 지리학적 북극에서 1천8백km 떨어진 캐나다 북부의 허드슨 만 근처이며, 남극은 호주의 남부에 위치하고 있다.
자성을 띠는 나침반이 남북 방향을 가리킨다는 것은 지구가 자성을 띤다는 뜻인데, 지구 중심에 커다란 자석이라도 들어있단 말인가. 그리고 그 자석이 움직인다는 말인가. 지구가 자기적인 성질을 띠는 이유에는 아직 명확히 밝혀지지 않았다.
지구의 핵 내부에서 대규모의 유동체 운동으로 인해 자기적 성질을 가진다는 설이 가장 유력하다. 즉 지구 중심에서 발생하는 열에 의한 대류와 지구자전 효과에 의한 대류가 지구 자기장을 만든다고 추측하고 있다.
외핵이 차지하는 영역이 매우 크기 때문에 움직이는 전하 속력이 매우 작아도 충분한 자기장을 만들 수 있다는 것이다. 또 지구 자기장이 변하는 이유는 핵내에서 일어나는 대규모의 대류 운동 중에 생긴 작은 소용돌이 때문일 것으로 설명한다.
가장 큰 자석, 가장 작은 자석
오로라는 보통 위도 60-80도(시베리아 북부, 알래스카 중부, 캐나다 중북부, 스칸디나비아 반도 등)에서 자주 볼 수 있다. 대개 지구 상공 1백km 이상에서 일어나는 대기의 발광현상으로 '극광'이라고도 한다.
오로라의 원동력은 태양으로부터 불어오는 대전된 입자의 흐름인 태양풍이 지구 자기장과 상호작용을 일으켜 거대한 발전기를 만드는데 있다. 여기서 발생한 전기는 1조W 정도로 오로라를 일으키는 원동력이 된다. 자기권에서 발생한 전류는 지구전리층(지구 상공 80km-8백km)까지 전진해 거기에 있는 원자나 분자(산소, 질소 등) 또는 그들의 이온과 충돌해 들뜬상태로 만든다.
이 때 여러 가지 파장의 빛이 발생해 화려한 색의 오로라를 볼 수 있다. 오로라는 지구 자기장과 태양풍이 만들어낸 아름다운 자연현상이지만 위성통신과 지구방위 시스템에 영향을 줄 수 있어 관련 분야의 과학자들에게는 심술꾸러기 대접을 받는다.
가장 작은 자석에는 어떤 것이 있을까. 작은 자석으로 알려진 것 중의 하나는 1975년 미국에서 발견된 박테리아 속의 생체 자기다. 이 박테리아는 지구 자기를 감지해 그 방향으로 헤엄쳐 가는 특성을 보인다. 이런 종류의 유기체들은 자기감각으로 먹이를 찾아낸다고 한다.
전자현미경으로 보면 이 박테리아의 몸길이는 2-3미크론(1미크론은 1천분의 1mm)이고, 체내에 0.04 미크론 정도의 자석입자 수십개가 염주처럼 배열돼 있다. 이 자석이 나침반 역할을 해 박테리아는 북극을 향해 헤엄쳐 간다고 한다.
박테리아만이 생체자기를 가지고 있는 것은 아니다. 우리가 잘 알고 있는 비둘기는 귀소 본능이 강한 동물이다. 비둘기도 자기감각을 가지고 있어 지구자기장을 이용해 자신의 위치를 인지한다는 사실이 밝혀졌다.
1979년에는 비둘기의 머리뼈와 뇌의 경막 사이에 2mm*1mm크기의 작은 조직이 자석 덩어리임이 발견됐다. 이것이 나침반의 자침과 같은 역할을 한다. 사람에게도 생체 자기가 있다면 길을 잃는 법은 없을 텐데.
전기와 자기는 친구
질량이 있는 물체의 주위 공간에는 중력장이 만들어지고, 전하의 주위에는 전기장이 만들어 진다. 만일 전하가 움직인다면 전하의 주위공간은 성질이 바뀐다. 전하의 움직임으로 인한 이러한 변화는 자기장으로 나타난다. 즉 자기장은 전자의 운동에 의해 만들어진다.
전하의 운동이 자기장을 만든다면 막대자석의 경우에는 어떻게 설명할 수 있을까. 자석을 구성하고 있는 원자내부의 전자에 그 해결의 열쇠가 있다. 전자는 팽이와 같이 자신의 축에 대해 회전하는 자전운동과 원자핵 주위를 돌고 있는 궤도 운동으로 자기장을 만든다.
대부분의 물질에서는 전자의 자전이 자기장에 더 크게 기여한다. 따라서 모든 원자는 작은 자석과 같다. 전자들이 같은 방향으로 자전하는 경우에는 강한 자석을 만들지만 서로 반대 방향으로 자전할 때는 두 전자에 의한 자기장이 서로 상쇄된다. 대부분의 물질이 자성을 띠지 않고 있는 이유는 전자들이 서로 쌍을 이루며 반대 방향으로 자전하고 있기 때문이다.
전기를 띠는 입자인 전자는 주변에 전기장을 만든다. 동시에 전자의 가속 운동은 자기장을 만든다. 이처럼 전기력과 자기력은 불가분의 관계이다. 즉 전자의 가속운동은 전자기력으로 나타낼 수 있다. 이렇듯 전기와 자기는 절친한 친구 관계이다.
또 재미있는 사실은 원형코일 내부에서 자석이 움직이면 코일에는 유도전류가 발생하는데 자기장의 변화가 전류를 발생시킨다는 것을 보여준다.
하지만 전기와 자기는 독특한 개성을 가지고 있다. 막대자석의 양극을 바라보면서 자석의 반을 나누면 N극 자석, S극 자석을 만들 수 있을리라 생각한 적이 있을 것이다. 하지만 이는 불가능하다.
자석은 아무리 작게 나누더라도 단극의 자석을 만들 수 없다. 왜냐하면 전자의 회전 자체가 N극과 S극인 양극을 만들어 놓기 때문이다. 전자의 회전 방향은 자극의 방향을 바꿀뿐이지 자극 자체를 하나로 만들 수는 없기 때문이다.
이와 달리 전하에는 +전하, -전하가 있고 각각 독립된 행동을 취한다. 이렇게 각각 독특한 개성을 가진 전기와 자기는 인력과 척력을 가진다는 점에서는 공통된 특성을 보인다. 이는 인력만을 가지고 있는 중력과 구별되는 특성이기도 하다.
지구자기장의 변화
과거의 지구 자기가 현재와 다르다는 것은 오래된 암석에서도 찾을 수 있다. 한 예로 고대 원주민들이 살던 곳에서 발견한 돌들의 자기 방향을 측정했는데 현재의 자기장 방향과 정확히 반대였음이 드러났다. 즉 현재의 자기장 방향과 반대 방향으로 자화된 것이다.
이것은 자성을 지닌 물체가 뜨거운 상태에서 냉각될 때 퀴리온도 밑에서 냉각되면 물체는 주변의 자기장 방향으로 자화되는 성질을 갖고 있기 때문이다.
과거 지구의 자기방향을 알아볼 수 있는 방법에는 화성암을 이용한 것이 있다. 화산에서 분출한 용암(자철광 포함)은 온도가 높은 동안은 자기를 띠고 있지 않다가 퀴리온도보다 낮아지면 지구 자기에 의해 남북 방향으로 자화돼 자석이 된다. 화성암의 자화방향을 측정하면 화산이 활동하고 있던 시대의 지구 자극의 방향을 알 수 있다.
(퀴리온도는 물체가 어떤 온도 이상이 되면 자기적 성질을 잃어버리는 온도로 철의 퀴리온도는 769℃, 니켈은 358℃로 물질마다 다르다. 달리 말하면 강한 자성을 띠던 물체가 약한 자성을 띠는 물체로 변하는 한계 온도로 표현할 수 있다.)
자석으로 구분하는 물질의 성질
과거에 나침반을 만들 때는 바늘을 자석에 문질러 사용했다. 또 자석에 붙은 바늘은 또다른 바늘을 잡아 당긴다. 이렇듯 철이 자석의 성질을 띠게 되는 이유는 무엇일까. 또 모든 금속은 다 자석에 붙는 것일까.
우리 주변의 물질들은 크게 자석에 아주 잘 붙는 물질(강자성체), 자석에 어느 정도 붙는 물질(상자성체), 자석에 가까이 가져가면 오히려 밀리는 물질(반자성체)로 나뉜다. 외부 자기장에 놓이면 자석의 성질을 띠는 철은 강자성체로 불린다.
철 원자의 자성은 그 원자를 구성하는 전자로부터 만들어진다. 대개의 전자들은 두 개씩 짝을 이뤄 서로 반대 방향으로 회전한다. 그 결과 반대 방향의 회전이 서로 상쇄돼 자기장을 만들 수 없다. 그러나 철의 경우는 일부 전자가 짝을 이루지 않고 있다.
이렇게 짝을 이루지 않은 전자들이 한쪽 방향으로만 회전하는 경향이 있는데, 이런 경향에 의해 자성을 띠는 좁은 영역인 '자기영역'이 만들어 진다.
자성을 띠지 않고 있는 보통의 철은 자기영역이 제멋대로 배열돼 있다. 그 결과 자성을 띠지 않는다. 그러나 자석을 가져가면 자석의 자기장에 의해 철의 자기영역은 일정한 방향을 향해 늘어서려고 한다. 즉 철이 하나의 자석으로 작용한다. 이렇듯 철은 원자 구조상 자성을 잘 띤다. 니켈과 코발트도 철과 같이 자성을 쉽게 띠는 강자성체다.
자석에 끌리는 정도가 매우 작아 쉽게 관찰하기 어려운 물질에는 종이, 황, 알루미늄, 마그네슘, 텅스텐 같은 상자성체가 있다. 상자성체를 자기영역으로 설명하면 외부 자기장에 의해 자기 영역이 쉽게 방향을 바꾸지 않는다고 설명할 수 있다.
어떤 물질은 자석에 가져가면 밀리기도 하는데 이런 물질은 반자성체라 한다. 반자성체에는 구리, 유리, 플라스틱, 금, 수소 등이 있다. 반자성체의 경우 외부에서 자석을 가까이 하면 자기영역이 외부 자기장과 반대 방향이 되도록 늘어서려고 한다.
따라서 아주 약하지만 자석에 밀린다. 반자성체를 처음으로 관찰한 사람은 패러데이다. 강한 말굽형자석의 두 극 사이에 작은 유리 조각을 매달고 관찰했더니 유리 조각이 자석에 밀려서 자기장에 수직으로 서는 것을 관찰했다고 한다.
전자기파의 연금술
이 전자기장이 주기적으로 세기가 변하면서 공간으로 전파해 가는 것을 전자기파라고 한다. 전자기파는 전기장과 자기장을 동반하며 파가 진행하는 방향에 대해 수직으로 진동하는 전기적 횡파이다. 우리가 일상생활에서 늘 접하고 있는 전자기파는 바로 태양빛이다. 태양빛에는 각각 파장이 다른 감마선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선 등이 있고, 전파도 전자기파에 속한다.
전자가 자기장속에서 가속운동을 하면 전자는 힘을 받는다. 전자가 만드는 자기장과 기존의 자기장이 상호작용을 하는 것이다. 힘은 전자가 자기장 방향에 수직으로 움직일 때 받는 힘의 크기가 가장 크다.
다른 방향으로 움직일 경우에는 힘이 적어지다가 자기장의 방향과 평행하면 받는 힘은 0이다. 우리 주변에서 자기장에 의해 대전된 입자가 편향되는 예는 텔레비젼이 있다. 텔레비전 관의 내부에서 전자총으로 전자를 쏘면 자기장에 의해 움직이던 전자는 편향돼 지정된 곳에서 색깔이 나타나는 것을 볼 수 있다.
대전된 입자가 자기장내에서 움직일 때 편향력을 받는 것처럼 전자의 흐름으로 이뤄진 도선은 편향력에 의해 움직인다. 이를 이용한 것이 전동기다. 자기장내에 전류가 흐르는 도선이 힘을 받아 회전하도록 한 것이다.
전기의 자기적 성질을 알아낸 사람은 한스 크리스찬 외르스테드이다. 코펜하겐 대학의 교수였던 외르스테드는 1819년 학생들에게 전류가 전선을 흐르면 전선이 따뜻해진다는 '토스터효과'를 보여주고 있었다. 실험대 위에는 전선과 전지가 스위치를 통해 연결돼 있었고, 학생들은 실험을 보기 위해 모여 있었다.
실험을 하기 위해 스위치를 켠 순간 전선 바로 옆에 우연히 놓여있던 나침반의 바늘이 움직이는 것을 보고 전기적인 현상과 자기적인 현상이 관련돼 있을 것이라고 추측했다. 즉 움직이는 전자는 자기장을 만든다는 사실을 발견해낸 것이다.
필요할 때만 자석인 전자석
전자석으로 불리는 것에는 일반적으로 전류가 흐르는 코일에 철조각을 집어 넣는다. 왜냐하면 코일에 의한 자기장때문에 철의 자기구역이 재배열돼 자기력이 더 커지게 만들기 때문이다.
우리의 일상생활에 이용되는 많은 제품들에는 전자석이 들어있다. 예를 들어 전철카드, 텔레비전, 냉장고, 스피커, 전자레인지 등이 그 예다. 또 자석은 우리의 생활을 더욱 풍요롭게하는 자기부상 열차에 쓰이고, 물질의 근원을 알아내는데 필요한 가속기에도 쓰인다.
전철카드 : 전철카드나 전화카드의 자석띠에는 자화된 바코드가 있다. 전철카드 위에 미세한 철가루를 뿌리면 바코드의 정보를 볼 수 있다. 따라서 자석에 닿으면 자화된 정보가 없어진다.
세탁기의 전동기 : 전기에너지를 역학적인 기계 운동으로 바꾸는 것이 전동기이다. 대부분의 경우 회전 운동의 동력을 만든다. 자기장 속에 도체를 자기장과 직각으로 놓고 전류를 통하면 전류가 흐르는 도선이 힘을 받는 원리를 응용한 것이다.
헤드폰 : 스피커는 전기 신호를 음성 신호로 바꾸는 장치이면서 음성 신호를 전기 신호로 바꾸는 데도 사용할 수 있다. 원리는 전류가 진동판에 붙어있는 전자석을 진동시킴으로써 진동판이 앞뒤로 진동하면서 소리를 내도록 한다.
전자레인지 : 전자레인지는 보통 2천4백50MHz의 전파를 사용하는데, 특수한 진공관인 마그네트론으로 발생시킨다. 마그네트론에서 발생한 마이크로파는 오븐내에 유도돼 주위의 금속벽에서 반사되면서 식품에 흡수된다. 구조는 전기의 양극이 되는 원통과 음극이 되는 축으로 돼 있고, 축과 평행하게 자기력선이 분포돼 있다.
음극에서 전자가 방출돼 양극으로 향할 때 전자는 자기장의 영향으로 힘을 받게 된다. 이 때 받는 힘은 자기장의 세기가 클수록 커지고 전자는 양극 주위를 돌게된다. 이 현상을 이용해 마이크로파의 주파수(2천4백50MHz)로 진동하는 전력이 발생한다.
