[2015개정 물리학1] 물질의 자성 2편

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[2015개정 물리학1] 물질의 자성 1편

 

한 번쯤은 이런 생각을 해봤을 거다. 자석은 왜 생기는 걸까? 자철석 부류의 광물을 제련해서 자석을 만든다고는 하는데, 그렇다면 도대체 어떤 이유로 태초에 자성을 띠는 자철석이라는 광물이 지구 상에서 탄생했을까?

지구 자전축은 23.5도인데 이 기울기가 21도에서 24도 사이로 약 몇 만년 주기로 변한다. 지구 자전축의 기울기가 바뀐다면 지구 자기장의 방향도 살짝 바뀌지 않을까? 옆의 그림은 중세 시대에 지어진 성당 천장에 그려진 벽화인데, 이 벽화를 통해 우리는 지금의 지구 자기장 방향이 중세 시대의 자기장 방향과 다르다는 사실을 확인할 수 있다.

태초에 자철석이 지구 상에 존재할 수 있었던 이유와 벽화를 통해 지구 자기장의 방향을 추적할 수 있는 방법은 강자성체의 개념과 '자화'라는 현상을 알아야만 이해할 수 있다.

③강자성체

강자성체의 경우에는 인접한 원자의 전자 스핀이 서로 상호 작용하여 같은 방향으로 정렬되는 구역이 여러 군데 생긴다. 이러한 구역을 '자기 구역'이라고 하는데 이 '자기 구역'에서는 각각의 전자들 스핀에 의한 자기장의 방향이 같다. 철, 니켈, 코발트 등이 이러한 특성을 지닌다.

 

외부 자기장이 없을 때는 각 자기 구역마다 나타내는 자기장의 방향이 제멋대로라서 전체적으로 자성을 띠지는 않지만, 외부 자기장을 가해주면 각 자기 구역의 자기장이 외부 자기장과 같은 방향으로 자화 된다. 여기까지는 상자성체와 별반 다를 바가 없다. 하지만 강자성체는 외부 자기장을 제거해줘도 대부분 자기 구역의 자기장 방향이 원래대로 되돌아가지 않기 때문에 자화가 유지되어 자성을 띠게 된다.

어떤 암석에 번개가 내리꽂으면 번개의 강한 전기장에 의해서 전류가 흐르고, 그 전류에 의한 자기장에 의해 자화 하는데 이 암석이 바로 자철석과 적철석이다. 이 암석은 자기 구역을 지니고 있는 강자성체이기 때문이다. 따라서 이러한 암석들은 외부 자기장의 유무와 관계없이 계속 자성을 띨 수 있는 것이다. 이러한 자철석과 적철석을 제련하여 자석을 만드는 것이다.

산화된 철은 붉기 때문에 화가들은 자철석과 적철석처럼 철이 함유된 광물을 갈아서 염료를 만들어 그림에 빨간색을 표현했다. 즉 염료 자체가 강자성체인셈이다. 과거에 그려진 벽화의 빨간 염료는 주로 철로 이루어져 있었고, 이 철들은 그때 당시의 지구 자기장 방향으로 자화가 되었던 것이다. 그리고 그 상태로 물감이 굳어버렸기 때문에 그림이 그려졌을 당시의 지구 자기장 방향을 대략적으로 가늠할 수 있다. 그림에서 확인할 수 있듯이 18세기와 지금의 지구 자기장 방향은 약 1도 가량 다르다.

3. 전자석

왼쪽과 오른쪽의 자기력선 수를 비교해보라.

이러한 강자성체의 자화를 이용하여 솔레노이드 내부 자기장 세기를 증폭시킨다. 외부 자기장과 같은 방향으로 자기 구역들이 강하게 자화 되기 때문이다. 같은 세기의 전류를 흘려주더라도 솔레노이드 내부에 철심이 있으면 없을 때보다 자기장이 1000배 이상 세진다. 1000배 정도면 어마어마한 차이다. 따라서 여러분들이 전자석을 만든답시고 솔레노이드에 전류만 흘려주기만 하고, 철심을 집어넣지 않으면 클립조차도 붙지 않는다는 걸 확인할 수 있다. 

전자석은 솔레노이드에 흐르는 전류를 조절하여 자기장의 세기와 방향을 매우 쉽게 조절할 수 있고, 이러한 전자석은 강한 자기장을 기반으로 MRI 촬영장치나 전자석 기중기 등에 활용된다.

3. 퀴리 온도

이러한 강자성체도 항상 자신의 성질을 유지하는 것은 아니다. 특정 온도 이상으로 올라가면 강자성체의 자기 구역이 해체되어 상자성체가 되어버리게 되는데, 이 온도를 퀴리 온도라고 한다. 라듐을 발견한 마리 퀴리의 남편 피에르 퀴리의 이름을 따서 붙여지게 된 이름인데 이 현상을 이용한 재미있는 물리 실험이 있다.

 

↓퀴리 엔진↓

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실험에 사용한 니크롬선은 니켈이 주성분이고 니켈의 퀴리 온도는 대략 350℃이다. 한쪽 선을 가열해주면 강자성을 잃게 되어 상대적으로 다른 선에 더 센 자기력이 작용하여 끌려오고, 그동안 달궈진 선이 식으면서 다시 강자성을 띠게 되며 자리바꿈을 하는 결과를 실험을 통해 확인할 수 있다.