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지구의 자기장
자석이 쇠붙이나 다른 자석에 미치는 힘을 자기력이라고 한다. 자기력은 자석의 양끝으로 갈수록 강해지는데 이 부분을 자극이라고 한다. 자극에는 N극과 S극이 있다.
막대 자석을 수평으로 매달았을 때, 지구의 북쪽을 향하는 극이 N극, 남쪽을 향하는 극이 S극이다. 이것은 지구가 하나의 거대한 자석이기 때문이다. 자석의 N극이 가리키는 북쪽은 지구 자석의 S극이고, 자석의 S극이 가리키는 남쪽은 지구 자석의 N극이다.
전류가 만드는 자기장
전류가 흐르고 있는 도선에 나침반을 가까이 하면 바늘이 흔들린다. 이런 사실은 전류가 그 주위에 자기장을 만든다는 것을 보여준다. 직선 도선 주위에 생기는 자기장의 모양은 도선을 중심으로 한 동심원 모양이다. 이때 자기장의 방향은 오른손의 엄지손가락을 전류의 방향으로 하여 도선을 감아쥘 때, 나머지 네 손가락의 방
향이다. 이것을 ‘앙페르의 오른나사의 법칙’이라고 한다.
원형의 전류 주변에 형성되는 자기장 방향도 다르지 않다. 고리의 각 부분을 직선 도선의 일부분으로 보고 직선 전류에서처럼 오른손을 이용하면, 짧은 직선 도선에 흐르는 전류에 의한 자기장의 방향을 알 수 있다. 이들을 모두 합하면 원형 전류에 의한 자기장이 된다.
퀴리 온도
물질이 자성을 잃는 온도를 그 물질의 퀴리 온도라고 한다. 명칭은 발견자인 프랑스의 물리학자 피에르 퀴리의 이름에서 딴 것이다. 자석과 같은 강자성체를 퀴리 온도 이상으로 가열하면 자석의 성질을 잃는다. 이렇게 강자성체가 강자성 상태에서 상자성(常磁性, paramagnetism) 상태로 변하거나 그 반대로 변할 때의 전이온도를 말한다.
일반적으로 자철석의 퀴리 온도는 575℃, 적철석은 675℃, 순수한 철은 768℃, 니켈은 350℃, 코발트는 1120℃이다. 이 온도 이상에서는 자발자화를 갖지 않고, 이보다 낮은 온도에서는 자발자화를 가진다. 이 온도에서는 일반적으로 큰 비열이 나타나며, 압력과는 거의 관계가 없다.
지구 내부의 온도와 물질의 용융점 변화
오른쪽 그림은 지구 내부의 온도 변화와 구성 물질의 용융 온도 분포를 나타낸 것이다. 저속도층에 해당하는 깊이에서의 온도는 맨틀의 용융 온도에 가까운 1100~1200℃이며, 상변화가 일어나는 400km에서는 약 1500℃에 달하고, 700km 깊이에서는 약 2000℃이다. 그리고 맨틀과 외핵의 경계부에서는 외핵의 주성분인 철의 용융점보다 높고, 맨들의 용융점보다 낮은 약 3500℃로 추정되며, 지구의 중심에서는 약 4500℃이다.
1. 다음은 지구 내부의 층상 구조, 지구 내부의 온도 변화와 구성 물질의 녹는점 변화, 자기의 영년 변화에 관한 자료와 그래프다. 이를 참조해 지구 자기장에 관한 다음의 두 이론에 대한 질문에 답하시오..jpg)
1) [난이도 중] 과거에 사람들은 지구 내부에 거대한 막대자석이 들어 있다고 생각하는 ‘막대자석설’에 의해 지구 자기장을 이해했다. 하지만 오늘날 ‘막대자석으로 지구 자기장을 설명하기에는 여러 가지 모순점이 발견되고 있다. 지구 내부의 층상 구조와 온도 분포 및 구성 물질의 용융점 변화 그래프를 참조해 ‘막대자석설’의 문제점을 지적하시오.
2) [난이도 중] 오늘날 지구 자기장을 설명하는 새로운 이론을 ‘다이나모 이론’이라고 한다. 막대자석 없이 지구에 자기장이 존재할 수 있는 과학적 모델을 설계하고, 그 근거를 설명하시오.
3) [난이도 상] 다이나모 이론에 의하면, 지구의 자기장은 고정돼 있는 것이 아니라 변화할 수 있다. 그 원인은 외적 요인과 내적 요인으로 구분할 수 있으며, 이중 내적 요인은 외핵의 운동과 맨틀 주위 유동성 물질들의 와동에 의해 나타난다. 이러한 변화는 오랜 시간에 걸쳐 서서히 나타나는데, 이를 영년 변화라고 한다. 현재 영년 변화에 의해 지구 자기장의 분포가 매년 서쪽으로 서서히 이동하고 있다. 파리와 런던의 자기 영년 변화 그래프를 보고 이 표현의 의미를 구체적으로 설명하시오.
4) [난이도 하] 지구 내부가 냉각되면, 지구의 자기장이 약화될 수 있다. 그 이유를 설명하시오(단, 내부 구성 물질의 용융점은 변하지 않는다).
전문가 클리닉 1) 퀴리 온도와 영년 변화, 지구 내부의 온도 변화 그래프에 대한 이해를 바탕으로 막대자석설의 모순점이 무엇인지를 설명합니다.
2) 먼저 전류가 자기장을 형성하는 원리를 이해합니다. 지구 내부의 온도 분포와 구성 물질의 용융점 변화를 고려해, 막대자석과 같은 자성체 없이도 지구 내부에서 자기장을 형성할 수 있는 과학적 모델을 추론합니다.
3) 지구 자기장의 3요소인 편각, 복각, 수평 자기력의 세기에 대한 이해를 그래프 자료에 적용해 해석하는 문제입니다.
4) 지구 내부의 온도 분포와 구성 물질의 용융점 변화를 참조해 추론합니다.
예시답안 1) 지구 자기장에 의한 자기력선은 지리상의 남극 부근에서 나와서 지리상의 북극으로 들어간다. 이를 가장 간단하게 설명할 수 있는 이론은 지구 내부에 막대자석이 있으며, 이 자석의 N극이 남극에 , S극이 북극에 있다는 막대자석설이다. 하지만 막대자석설에는 크게 두 가지 모순점이 나타나는데, 그 내용은 다음과 같다.
첫째는 지구 내부 온도가 막대자석의 자성을 유지시키기에는 너무 높다는 사실이다. 상온에서 자성을 띠는 강자성체들은 각 물질의 종류에 따라 자성을 잃는 온도인 퀴리 온도가 존재한다. 예를 들어 철의 경우 그 온도가 768℃, 니켈은 350℃, 퀴리 온도가 비교적 높은 코발트는 1120℃이다. 한편 지구 내부로 들어갈수록 온도가 높아진다. 맨틀과 외핵의 경계부에서 이미 철의 용융점보다 높은 3500℃로 추정된다. 즉 막대자석을 구성하는 물질이 지구 중심부의 주요 물질로 추정되는 철이나 니켈 등이라면, 심지어 코발트라도 지구 내부 온도는 이 물질들의 퀴리 온도보다 훨씬 높아서 막대자석이 자성을 잃게 된다.
둘째는 지구의 자극이 고정돼 있지 않다는 사실이다. 영년 변화 그래프를 보면 런던과 파리의 편각과 복각이 변했다는 것을 알 수 있다. 이 현상은 두 가지 경우로 나눠 설명할 수 있다. 자극이 고정된 채로 두 도시가 자극에 대해 상대적인 운동을 했을 경우와 두 도시가 고정된 채로 자극이 움직였을 경우다. 대륙이 이동했을 가능성을 살펴보는 것이다. 판구조론에 의한 대륙 이동은 신생대까지 이뤄졌으므로 최근 400년 안에는 이 정도 규모의 대륙 이동이 일어났다고 볼 수 없다. 즉 지구 내부에서 자극이 움직였다고 생각할 수 있다. 대부분 고체로 이뤄져 있는 지구 내부에서 고체 상태의 막대자석은 고정된 자극을 만들게 되므로 지구의 각 지역에서 관측되는 영년 변화를 설명하기 힘들다.
2) 전하를 띤 입자의 운동, 즉 전류가 흐르면 그로 인해 주변에 자기장이 형성된다. 특히 직선의 전류가 흐를 때 그 주변에 형성되는 자기장의 방향이 오른나사 법칙으로 설명되듯이 원형의 전류 주변에도 같은 원리로 자기장의 존재와 그 방향을 설명할 수 있다.
한편 지구 내부의 지진파 속도 변화를 통해 추정한 물질의 종류와 용융점 분포, 온도 분포 등을 고려할 때, 유동성을 지닐 것으로 추정되는 구간이 두 군데 발견된다. 하나는 맨틀 내 부분 용융 상태의 연약권이고 또 하나는 액체 상태로 존재하는 외핵이다.
외핵의 경우 온도가 충분히 높아서 물질의 구성 입자들이 전하를 띤 형태로 존재할 가능성이 크므로 이들이 일정한 방향성을 지니고 운동할 경우 흡사 원형의 전류가 흐르는 것과 같은 현상으로 이해할 수 있다. 이렇게 원형 전류에 의해 주위에 자기장이 형성된다면 막대자석과 같은 강자성체 없이도 퀴리 온도 이상의 온도에서도 지구 주위의 자기장을 설명할 수 있다. 또한 유동성을 지닌 물체의 운동은 완전히 고정된 운동이 아니다. 전류의 방향과 자기장의 방향에 변화가 나타날 수 있으므로 영년 변화 또한 설명할 수 있다. 물론 맨틀 내 연약권의 소규모 운동들도 지구 자기장에 영향을 주며 이러한 작은 규모의 운동들이 지구 자기장의 변화에 영향을 미칠 수 있다.
3) 자북이 진북과 이루는 각을 편각, 자침이 수평면과 이루는 각을 복각이라고 한다. 현재 파리와 런던의 편
각은 서방 편각이 점점 줄어들어 일정한 시간이 지나면 동방 편각이 증가하는 방향으로 변화하고 있다.
이는 두 도시에서 측정한 자북 방향이 현재 진북에 대해 왼쪽에 놓여있으며, 오른쪽으로 이동 중임을 알 수 있다. 한편 복각의 크기는 자기 적도에 가까울수록 작고, 자기 북극에 가까울수록 큰데, 현재 감소하는 경향을 보이므로 자극에서 멀어지고 있다. 이를 종합하면 위의 그림으로 이해할 수 있다. 즉 자북은 진북에 대해 시계 방향으로 회전하고 있으며, 이는 자북이 서쪽으로 이동하는 것이다.
4) 다이나모 이론에 의하면 유동성 물질의 운동에 의해 지구 자기장이 유지된다. 지구 내부가 서서히 식어서 맨틀이나 외핵 구간의 온도가 각 구성 물질들의 녹는점보다 낮아지면, 고체 상태로 굳어져서 유동성이 사라진다. 전기를 띠는 물질들의 운동이 멈추면 전류에 의한 자기장이 발생하지 않으므로 지구 자기장도 약화되거나 소멸될 수 있다.
자석이 쇠붙이나 다른 자석에 미치는 힘을 자기력이라고 한다. 자기력은 자석의 양끝으로 갈수록 강해지는데 이 부분을 자극이라고 한다. 자극에는 N극과 S극이 있다.
막대 자석을 수평으로 매달았을 때, 지구의 북쪽을 향하는 극이 N극, 남쪽을 향하는 극이 S극이다. 이것은 지구가 하나의 거대한 자석이기 때문이다. 자석의 N극이 가리키는 북쪽은 지구 자석의 S극이고, 자석의 S극이 가리키는 남쪽은 지구 자석의 N극이다.
전류가 만드는 자기장
전류가 흐르고 있는 도선에 나침반을 가까이 하면 바늘이 흔들린다. 이런 사실은 전류가 그 주위에 자기장을 만든다는 것을 보여준다. 직선 도선 주위에 생기는 자기장의 모양은 도선을 중심으로 한 동심원 모양이다. 이때 자기장의 방향은 오른손의 엄지손가락을 전류의 방향으로 하여 도선을 감아쥘 때, 나머지 네 손가락의 방
향이다. 이것을 ‘앙페르의 오른나사의 법칙’이라고 한다.원형의 전류 주변에 형성되는 자기장 방향도 다르지 않다. 고리의 각 부분을 직선 도선의 일부분으로 보고 직선 전류에서처럼 오른손을 이용하면, 짧은 직선 도선에 흐르는 전류에 의한 자기장의 방향을 알 수 있다. 이들을 모두 합하면 원형 전류에 의한 자기장이 된다.
퀴리 온도
물질이 자성을 잃는 온도를 그 물질의 퀴리 온도라고 한다. 명칭은 발견자인 프랑스의 물리학자 피에르 퀴리의 이름에서 딴 것이다. 자석과 같은 강자성체를 퀴리 온도 이상으로 가열하면 자석의 성질을 잃는다. 이렇게 강자성체가 강자성 상태에서 상자성(常磁性, paramagnetism) 상태로 변하거나 그 반대로 변할 때의 전이온도를 말한다.
일반적으로 자철석의 퀴리 온도는 575℃, 적철석은 675℃, 순수한 철은 768℃, 니켈은 350℃, 코발트는 1120℃이다. 이 온도 이상에서는 자발자화를 갖지 않고, 이보다 낮은 온도에서는 자발자화를 가진다. 이 온도에서는 일반적으로 큰 비열이 나타나며, 압력과는 거의 관계가 없다.
지구 내부의 온도와 물질의 용융점 변화
오른쪽 그림은 지구 내부의 온도 변화와 구성 물질의 용융 온도 분포를 나타낸 것이다. 저속도층에 해당하는 깊이에서의 온도는 맨틀의 용융 온도에 가까운 1100~1200℃이며, 상변화가 일어나는 400km에서는 약 1500℃에 달하고, 700km 깊이에서는 약 2000℃이다. 그리고 맨틀과 외핵의 경계부에서는 외핵의 주성분인 철의 용융점보다 높고, 맨들의 용융점보다 낮은 약 3500℃로 추정되며, 지구의 중심에서는 약 4500℃이다.1. 다음은 지구 내부의 층상 구조, 지구 내부의 온도 변화와 구성 물질의 녹는점 변화, 자기의 영년 변화에 관한 자료와 그래프다. 이를 참조해 지구 자기장에 관한 다음의 두 이론에 대한 질문에 답하시오.
1) [난이도 중] 과거에 사람들은 지구 내부에 거대한 막대자석이 들어 있다고 생각하는 ‘막대자석설’에 의해 지구 자기장을 이해했다. 하지만 오늘날 ‘막대자석으로 지구 자기장을 설명하기에는 여러 가지 모순점이 발견되고 있다. 지구 내부의 층상 구조와 온도 분포 및 구성 물질의 용융점 변화 그래프를 참조해 ‘막대자석설’의 문제점을 지적하시오.
2) [난이도 중] 오늘날 지구 자기장을 설명하는 새로운 이론을 ‘다이나모 이론’이라고 한다. 막대자석 없이 지구에 자기장이 존재할 수 있는 과학적 모델을 설계하고, 그 근거를 설명하시오.
3) [난이도 상] 다이나모 이론에 의하면, 지구의 자기장은 고정돼 있는 것이 아니라 변화할 수 있다. 그 원인은 외적 요인과 내적 요인으로 구분할 수 있으며, 이중 내적 요인은 외핵의 운동과 맨틀 주위 유동성 물질들의 와동에 의해 나타난다. 이러한 변화는 오랜 시간에 걸쳐 서서히 나타나는데, 이를 영년 변화라고 한다. 현재 영년 변화에 의해 지구 자기장의 분포가 매년 서쪽으로 서서히 이동하고 있다. 파리와 런던의 자기 영년 변화 그래프를 보고 이 표현의 의미를 구체적으로 설명하시오.
4) [난이도 하] 지구 내부가 냉각되면, 지구의 자기장이 약화될 수 있다. 그 이유를 설명하시오(단, 내부 구성 물질의 용융점은 변하지 않는다).
전문가 클리닉 1) 퀴리 온도와 영년 변화, 지구 내부의 온도 변화 그래프에 대한 이해를 바탕으로 막대자석설의 모순점이 무엇인지를 설명합니다.
2) 먼저 전류가 자기장을 형성하는 원리를 이해합니다. 지구 내부의 온도 분포와 구성 물질의 용융점 변화를 고려해, 막대자석과 같은 자성체 없이도 지구 내부에서 자기장을 형성할 수 있는 과학적 모델을 추론합니다.
3) 지구 자기장의 3요소인 편각, 복각, 수평 자기력의 세기에 대한 이해를 그래프 자료에 적용해 해석하는 문제입니다.
4) 지구 내부의 온도 분포와 구성 물질의 용융점 변화를 참조해 추론합니다.
예시답안 1) 지구 자기장에 의한 자기력선은 지리상의 남극 부근에서 나와서 지리상의 북극으로 들어간다. 이를 가장 간단하게 설명할 수 있는 이론은 지구 내부에 막대자석이 있으며, 이 자석의 N극이 남극에 , S극이 북극에 있다는 막대자석설이다. 하지만 막대자석설에는 크게 두 가지 모순점이 나타나는데, 그 내용은 다음과 같다.
첫째는 지구 내부 온도가 막대자석의 자성을 유지시키기에는 너무 높다는 사실이다. 상온에서 자성을 띠는 강자성체들은 각 물질의 종류에 따라 자성을 잃는 온도인 퀴리 온도가 존재한다. 예를 들어 철의 경우 그 온도가 768℃, 니켈은 350℃, 퀴리 온도가 비교적 높은 코발트는 1120℃이다. 한편 지구 내부로 들어갈수록 온도가 높아진다. 맨틀과 외핵의 경계부에서 이미 철의 용융점보다 높은 3500℃로 추정된다. 즉 막대자석을 구성하는 물질이 지구 중심부의 주요 물질로 추정되는 철이나 니켈 등이라면, 심지어 코발트라도 지구 내부 온도는 이 물질들의 퀴리 온도보다 훨씬 높아서 막대자석이 자성을 잃게 된다.
둘째는 지구의 자극이 고정돼 있지 않다는 사실이다. 영년 변화 그래프를 보면 런던과 파리의 편각과 복각이 변했다는 것을 알 수 있다. 이 현상은 두 가지 경우로 나눠 설명할 수 있다. 자극이 고정된 채로 두 도시가 자극에 대해 상대적인 운동을 했을 경우와 두 도시가 고정된 채로 자극이 움직였을 경우다. 대륙이 이동했을 가능성을 살펴보는 것이다. 판구조론에 의한 대륙 이동은 신생대까지 이뤄졌으므로 최근 400년 안에는 이 정도 규모의 대륙 이동이 일어났다고 볼 수 없다. 즉 지구 내부에서 자극이 움직였다고 생각할 수 있다. 대부분 고체로 이뤄져 있는 지구 내부에서 고체 상태의 막대자석은 고정된 자극을 만들게 되므로 지구의 각 지역에서 관측되는 영년 변화를 설명하기 힘들다.
2) 전하를 띤 입자의 운동, 즉 전류가 흐르면 그로 인해 주변에 자기장이 형성된다. 특히 직선의 전류가 흐를 때 그 주변에 형성되는 자기장의 방향이 오른나사 법칙으로 설명되듯이 원형의 전류 주변에도 같은 원리로 자기장의 존재와 그 방향을 설명할 수 있다.
한편 지구 내부의 지진파 속도 변화를 통해 추정한 물질의 종류와 용융점 분포, 온도 분포 등을 고려할 때, 유동성을 지닐 것으로 추정되는 구간이 두 군데 발견된다. 하나는 맨틀 내 부분 용융 상태의 연약권이고 또 하나는 액체 상태로 존재하는 외핵이다.
외핵의 경우 온도가 충분히 높아서 물질의 구성 입자들이 전하를 띤 형태로 존재할 가능성이 크므로 이들이 일정한 방향성을 지니고 운동할 경우 흡사 원형의 전류가 흐르는 것과 같은 현상으로 이해할 수 있다. 이렇게 원형 전류에 의해 주위에 자기장이 형성된다면 막대자석과 같은 강자성체 없이도 퀴리 온도 이상의 온도에서도 지구 주위의 자기장을 설명할 수 있다. 또한 유동성을 지닌 물체의 운동은 완전히 고정된 운동이 아니다. 전류의 방향과 자기장의 방향에 변화가 나타날 수 있으므로 영년 변화 또한 설명할 수 있다. 물론 맨틀 내 연약권의 소규모 운동들도 지구 자기장에 영향을 주며 이러한 작은 규모의 운동들이 지구 자기장의 변화에 영향을 미칠 수 있다.
3) 자북이 진북과 이루는 각을 편각, 자침이 수평면과 이루는 각을 복각이라고 한다. 현재 파리와 런던의 편
각은 서방 편각이 점점 줄어들어 일정한 시간이 지나면 동방 편각이 증가하는 방향으로 변화하고 있다.이는 두 도시에서 측정한 자북 방향이 현재 진북에 대해 왼쪽에 놓여있으며, 오른쪽으로 이동 중임을 알 수 있다. 한편 복각의 크기는 자기 적도에 가까울수록 작고, 자기 북극에 가까울수록 큰데, 현재 감소하는 경향을 보이므로 자극에서 멀어지고 있다. 이를 종합하면 위의 그림으로 이해할 수 있다. 즉 자북은 진북에 대해 시계 방향으로 회전하고 있으며, 이는 자북이 서쪽으로 이동하는 것이다.
4) 다이나모 이론에 의하면 유동성 물질의 운동에 의해 지구 자기장이 유지된다. 지구 내부가 서서히 식어서 맨틀이나 외핵 구간의 온도가 각 구성 물질들의 녹는점보다 낮아지면, 고체 상태로 굳어져서 유동성이 사라진다. 전기를 띠는 물질들의 운동이 멈추면 전류에 의한 자기장이 발생하지 않으므로 지구 자기장도 약화되거나 소멸될 수 있다.
