물질의 자성

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성취 기준

자성체의 종류를 알고 일상생활과 산업 기술에서 자성체가 활용되는 예를 찾을 수 있다.

물리학 전개도

판서 조직도

 

같이의 가치

 

종이 한 장은 쉽게 구부릴 수 있지만, 종이 여러 장이 함께 모이면 강한 인장 및 압축 구조물이 됩니다. 이번 시간은 함께의 시너지에 대한 물리학, 물질의 자성입니다. 

 

1. 자성의 원인

자기장의 원인이 전류임을 알게 됐습니다. 전류란 전하의 흐름, 즉 전하의 움직임에 기인하죠. 물질을 구성하는 원자, 그 안에는 원자핵과 전자가 있습니다.

전기력에 의한 궤도 운동	중력에 의한 궤도 운동

 

전자는 전기력에 의해 원자핵 주위에서 궤도 운동합니다. 달이 중력에 의해 지구 주위에서 궤도 운동을 하는 것처럼요. 그 전자의 움직임, 즉 원자 내의 전류는 원자를 하나의 자석으로 만듭니다. 이 사실을 통해 과학자들은 자석을 비롯한 여러 가지 물질의 자기적 성질, 자성을 설명할 수 있게 됐습니다.

 

1) 전자의 궤도 운동

물질을 이루는 원자 속 전자는 원자핵 주위를 공전하는 운동, 궤도 운동을 합니다.

 

 

전자가 원자핵 주위를 공전하게 되면 원자핵 주위에 원형의 전류 고리가 생기게 됩니다. 따라서 그에 따른 자기장이 발생해요. 

 

2) 전자의 스핀

물질을 이루는 원자 속 전자는 궤도 운동뿐만 아니라 자전 운동 또한 합니다. 이를 전자의 스핀이라고 해요. 전자의 스핀 역시 전하의 이동과 관련이 있기에 그에 따른 자기장이 발생하게 됩니다.

 

이처럼 물질의 자성의 근본적인 원인은 전자의 운동입니다. 이때 전자의 궤도 운동보다 전자의 스핀이 물질의 자성에 더 크게 기여합니다. 실제 물질을 구성하는 엄청난 수의 원자, 3차원으로 분석해야 할 운동 방향의 가짓수 등 이러한 복합적인 요인이 상호작용하는 결과에 따라 물질의 자기적인 정체성이 결정됩니다.

 

물리학과 수학의 콜라보

 

갈릴레오는 “자연이라는 거대한 책은 수학의 언어로 쓰여 있다.”라고 말했습니다. 실제로 수학은 자연 현상을 설명할 뿐 아니라 때로는 아직 발견되지 않은 현상까지 예측하기도 했어요. 디랙의 스핀 역시 수학적 이론에서 먼저 나타난 뒤 실제 자연에서 확인된 사례입니다.

 

 

디랙은 자신이 유도한 방정식의 수학적 해, 즉 전자의 스핀이 물질의 자성을 설명하는 단서가 될 것이라고 예측했습니다. 이후 스핀에 의해 형성되는 자기장이 실제 전자 주변의 자기장과 일치한다는 사실이 밝혀지면서 그의 예측은 물리학의 중요한 이론으로 자리 잡아요. 물리학과 수학, 서로 다른 분야가 함께할 때 더 큰 통찰이 탄생한다는, ‘같이의 가치’를 잘 보여주는 사례입니다. 

 

2. 자성체의 종류

1) 상자성체

 

원자는 작은 자석과도 같습니다. 상자성체의 경우에는 외부 자기장이 없을 때, 원자 자석들이 무질서하게 배열돼있다 보니 알짜 자기장이 0이 되어버려 자성을 띠지 않습니다. 그러나 자석을 가까이 했을 때, 원자 자석들이 자석의 자기장 방향으로 약하게 정렬돼요. 이를 자기화 또는 자화라 합니다. 자석의 자기장 방향으로 자화된 상자성체는 자석에 약하게 끌려옵니다. 반면 자석을 제거하면 상자성체의 원자 자석들은 다시 무질서하게 배열되기 때문에 자성을 잃어버립니다. 종이, 산소, 알루미늄, 마그네슘이 대표적인 상자성체입니다.

 

2) 반자성체

 

 

반자성체는 상자성체처럼 외부 자기장이 없을 때 자성을 띠지 않고, 자석을 가까이하면 자화 되고, 자석을 제거하면 자성을 잃어버립니다. 그러나 반자성체는 상자성체와 달리 외부 자기장의 반대 방향으로 자화 됩니다. 따라서 반자성체에 자석을 가까이하면 자석에 밀려납니다. 금이나 구리, 유리, 수소, 물이 대표적인 반자성체입니다.

 

반자성의 원리

반자성체는 흔히 상자성체와 대조를 이루며 설명되곤 하나, 실제 반자성의 원리는 상자성체의 것과는 판이하게 다릅니다. 반자성은 전자껍질이 가득 차 있는 안정적인 원소를 함유하는 물질에서 나타나는 양자역학적 현상입니다. 

 

초전도체

이외에도 특정 온도 이하에서 반자성 효과를 보이는 물체가 있는데 초전도체가 그런 경우입니다.

 

임계 온도 이하의 초전도체에 외부 자기장을 가하면 외부 자기장과 같은 세기, 반대 방향의 자기장이 초전도체 내부에 발생하여 초전도체 내부의 자기장이 0이 됩니다. 이를 마이스너 효과라고 합니다.

 

youtu.be/JRJWcSdegkA

 

3) 강자성체

강자성체의 경우에는 원자 자석들 각각이 자신의 자기장 방향과 유사한 원자 자석들과 함께 모여 연합을 형성합니다. 이러한 공동체를 자기 구역이라고 해요. 줄여서 자구라고도 합니다.

 

 

강자성체는 상자성체와 반자성체처럼 외부 자기장이 없을 때 자성을 띠고 있지 않습니다. 각 자기 구역의 자기장 방향이 제멋대로라서 알짜 자기장이 0이 되기 때문이죠. 이때 자석을 가까이 하면 각 자기 구역의 원자 자석들이 상자성체처럼 외부 자기장과 같은 방향으로 정렬되는데, 자기 구역 내에서 서로 단단히 잡아주는 원자 자석들의 시너지로 인해 자화가 강하게 됩니다. 뭐든 혼자보다는 함께의 힘이 강한 법입니다. 이처럼 각 자기 구역 내에서 원자 자석들 서로가 단단하게 잡아주다 보니 외부 자기장이 제거되어도 자화가 어느 정도 유지됩니다. 따라서 강자성체는 상자성체와 반자성체와 달리 외부 자기장을 제거해도 자성을 잃지 않습니다. 이처럼 혼자보다는 함께했을 때 더욱 뚜렷해집니다. 철, 니켈, 코발트가 대표적인 강자성체입니다. 

 

① 강자성체의 활용, 전자석

왼쪽과 오른쪽의 같은 면적을 지나는 자기력선 수를 비교해보라.

 

이러한 강자성체의 성질을 이용하여 전자석의 자기장 세기를 증폭시킬 수 있습니다. 솔레노이드에 강자성체인 철심을 집어넣으면 자기장이 1000배 이상 강해져요.

 

② 강자성체의 활용, 하드 디스크

하드디스크

 

컴퓨터의 하드디스크에는 데이터가 기록되는 플래터라는 부분이 있는데요. 플래터가 곧 강자성체입니다. 플래터가 회전하면서 헤드에 진입하면, 헤드의 자기장에 따라 플래터가 자화 되는데요. 이 플래터 내의 자화 배치 구조가 곧 데이터입니다. 이때 외부 자기장이 제거되어도 자화가 유지되는 강자성체의 성질 덕분에 플래터에 기록된 데이터는 헤드를 벗어나도 유지될 수 있습니다.

 

 

친구 - S.E.S 

https://www.youtube.com/watch?v=H2Ljngr7qWs

 

자기 구역 내에서 서로 단단히 잡아주는 원자 자석들, 그 함께의 시너지로 인해 강하게 자화되고 그로 인해 자신의 정체성을 잃지 않는 강자성체. 이처럼 혼자보다는 함께일 때 더욱 강해지고 뚜렷해집니다. 강자성체가 가지는 같이의 가치, 우리의 삶에서도 가치를 발휘합니다.

 

친구, 과거를 추억하고 현재를 위로하며 미래를 응원하는.

 

뜨거운 햇살이 이어지는 날들이 계속되다 보면, 어느 순간 마음이 풀어지고 집중이 흐트러지기 쉽습니다. 그럴 때일수록 함께하는 사람이 필요합니다. 그들과 과거를 추억하고 현재를 위로하며 미래를 응원하다 보면 포기하고 싶다가도 큰 용기를 얻게 됩니다. 비록 함께한 시간이 찰나일지라도, 함께의 인연은 그 짧은 순간들을 오래도록 기억하게 합니다. SES의 친구를 들으며, 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.