자석 (Magnetism)

한 줄 정의: 철, 니켈 같은 특정 물질을 끌어당기거나 밀어내는 힘인 자기력을 만들어내는 성질입니다.

쉽게 풀면

냉장고 문에 메모지를 붙일 때 쓰는 자석을 떠올려 보세요. 그 자석을 냉장고 문 철판에 가까이 대면 손을 놓아도 착 달라붙지만, 나무 책상이나 유리컵에 대면 아무 일도 일어나지 않습니다. 이건 자석이 아무 물질이나 끌어당기는 게 아니라 철, 니켈, 코발트처럼 정해진 몇몇 금속만 끌어당기기 때문입니다. 또 자석에는 항상 N극과 S극이라는 두 개의 극이 있는데, 서로 다른 극끼리는 끌어당기고(N극과 S극) 같은 극끼리는 밀어냅니다(N극과 N극, S극과 S극). 자석을 아무리 반으로 잘라도 N극만 있거나 S극만 있는 조각은 나오지 않고, 잘린 조각마다 다시 N극과 S극이 생겨납니다. 나침반 바늘이 항상 북쪽을 가리키는 것도 지구 자체가 거대한 하나의 자석처럼 작동하기 때문입니다.

왜 중요한가

자석과 자기력에 대한 이해는 전동기, 발전기, 자기저장장치 같은 실용 기술의 기초일 뿐 아니라, 물질이 왜 자성을 띠는지를 설명하는 고체물리학의 핵심 주제이기도 합니다. 또한 자석 개념은 초중등 과학교육에서 학생들의 오개념을 파악하는 대표적인 소재로도 자주 연구되어, 공학·물리학뿐 아니라 과학교육 분야 논문에서도 폭넓게 다뤄집니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"본 연구는 초등학생의 자석 개념 이해도를 조사하기 위해 극 사이의 인력과 척력, 자성체와 비자성체 구분에 대한 사전 검사를 실시하였다."

이 문장은 연구자가 학생들이 자석의 극끼리 밀고 당기는 원리와, 어떤 물질이 자석에 붙고 붙지 않는지를 얼마나 정확히 구분할 수 있는지 조사했다는 뜻입니다.

"철-니켈 합금 박막의 자화 곡선을 측정하여 조성비에 따른 보자력 변화를 분석하였다."

재료공학 연구에서 합금의 조성에 따라 자석으로서의 특성이 어떻게 달라지는지 실험적으로 분석한 문장입니다.

"희토류 영구자석을 회전자에 적용한 모터의 토크 특성을 시뮬레이션과 실측 실험으로 비교하였다."

전기기계 설계 연구에서 자석의 성질을 모터 성능 향상에 활용한 문장입니다.

조금 더 깊게 보면

물질이 자성을 띠는 이유는 원자 내 전자의 스핀과 궤도 운동이 만드는 작은 자기적 성질이 정렬되기 때문이며, 철처럼 강하게 자성을 띠는 강자성체와 이보다 훨씬 약한 상자성체, 반자성체 등으로 물질을 구분합니다. 강자성체는 자화된 구역인 자기구역(magnetic domain)들이 외부 자기장에 의해 같은 방향으로 정렬되면서 전체적으로 강한 자석이 되며, 이 정렬이 얼마나 잘 유지되는지를 나타내는 지표가 보자력입니다. 최근 연구에서는 희토류 원소를 포함한 합금으로 더 강하고 안정적인 영구자석을 만드는 방향의 재료 개발도 활발히 이뤄지고 있습니다.

주의할 점

흔히 "금속이면 다 자석에 붙는다"고 오해하지만, 실제로는 알루미늄이나 구리, 금 같은 금속은 자석에 붙지 않고 철, 니켈, 코발트 등 일부 금속만 붙습니다. 또한 자석 주위에 형성되는 자기장이 변할 때 전류가 만들어지는 전자기유도 현상과 자석이 물체를 끌어당기는 성질 자체는 서로 다른 개념이므로 혼동하지 않아야 합니다.