과학상식
|
|
|
|
|
|
자석 과 자성 
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
< 자석 >
옛날사람들은 특별한 종류의 암석이 같은 종류의 다른 암석을 끌어당긴다는 것을 알았다.
천연자석 이라는 암석이다.
지금 우리들은 이 암석이 가진 힘을 이용해서 전기를 만들고 컴퓨터에 정보를 저장하고 우주의 비밀을 연구하고 있다.
이 힘을 자성이라 하고 이런 힘을 가진 것을 자석이라 한다.
19c 말엽까지 모든 원소가 약간의 자기적 성질을 가지고 있다는 사실을 알았다.
옛날사람들은 자연상태에서 어떤 암석이나 광물질이 자석이라는 것을 발견했다.
이와 같은 자성을 가진 물질을 영구자석, 천연자석 이라고 한다.
자기력은 영구자석 에서는 항상 존재한다.
게다가 영구자석은 철과 같이 그 자체로는 자석으로 작용하지 않는 다른 물질에도 힘을 미친다.
대부분의 물질들 예를 들면 나무, 구리, 공기, 물은 영구자석에 반응하지 않는다. 그러나 사실 모든 물질들은 자기력에 반응을 한다.
그러나 대부분의 물질들이 아주 약한 자성을 가지고 있어 일상생활 에서 거의 느낄 수가 없다.
자석에 끌려가는 물질이라도 그 자체로 영구자석이 아닌 것을 일시자석 이라 한다.
이것은 나무같은 비자성 물질과는 구별이 된다.
일시자석은 영구자석이 있어야 자석으로 된다.
철과 같은 일시자석은 영구자석이 될 수 있다.
일시자석을 망치로 두드려 바늘모양으로 만들어 영구자석 곁에 두면 영구자석이 된다.
< 자석의 원리 >
지금도 우리들은 거대한 자석 위에서 살고 있다.
이 거대한 자석은 바로 지구 다.
이 거대한 자석으로부터 나오는 힘이 자성이다.
가장 중요한 힘 중의 하나다.
자석 이 없으면 모터도, 비디오게임도, 텔레비도, 전화도 없다.
철은 작은 입자인 원자로 만들어져 있다.
금속이 자석이 되느냐 안 되느냐는 그 원자가 어떻게 배열하고 있느냐에 달려있다.
못을 예로 들어보면,
보통상태의 못에서는 원자들이 흩어져서 제멋대로 배열하고 있다.
그러나 자성을 띤 못에서는 원자들이 규칙적으로 배열되어 같은 방향을 향하고 있다.
l _ ㅡ / l ㅡ / ㅡ llllllllllllllllll
ㅡ / lㅡ -_/ ㅡ llllllllllllllllll
( 보통 못 ) (자성을 가진 못)
흩어져 있는 원자들 같은 방향의 원자들
< 자석의 극 >
자석의 힘은 끝에서 가장 세다.
자석의 끝을 극이라 한다.
자석의 한극을 북극이라 하고 다른 한극을 남극이라 한다.
자석의 두 극이 대부분의 일을 한다.
자석의 당기는 힘이 나오는 근육에 해당한다.
두 자석의 강한 극이 서로 가까이 가면 어떻게 될까?
한 자석의 극이 다른 자석의 극에 가까이 가면 당기거나 서로 밀게 된다.
양손에 자석을 들고 반대 극끼리 닿게 하면 서로 당긴다.
만약 다른 극끼리 서로 당긴다면 같은 극끼리는 어떻게 될까?
각 자석의 북극끼리 닿게 하면 서로 밀쳐낸다.
즉 두 자석의 반대 극끼리는 당기고 같은 극끼리는 밀쳐낸다.
자침은 특별한 성질이 있는데, 오랜 옛날에 가장 발달한 과학인 천문학과 관련이 있다.
자침을 물위에 떠있게 하거나 줄로 메달아 놓으면 항상 한 방향을 가리킨다.
이 원리를 이용해서 나침반을 만들었다.
왜 자침이 항상 남-북 방향을 가리키는지 그 이유를 알지 못하다가
1600 년에 영국 과학자 월리엄 길버트는 지구 자체가 큰 자석으로서
지구 표면의 모든 자석에 힘을 미친다는 연구를 발표했다.
지구는 크지만,약한 자석이다.
지구가 미치는 힘은 철 침과 같은 작은 영구자석을
일정한 방향을 가리키게 할 정도로는 강하지만
일시자석에 영향을 줄만큼 강하지는 않다.
지구의 자성은 지정학적 북극과 남극에서 가까운 두 지점에서 가장 강하다.
모든 자석의 한끝은 북쪽을 가리키고 또 다른 한쪽은 남쪽을 가리킨다.
자석의 북쪽을 향하는 극을 북극이라고 하고 남쪽을 향하는 극을 남극이라고 부른다.
만약 긴 자석을 반으로 자르면 각각의 반쪽 도 완전한 자석이 된다.
모든 자석은 두 극을 가지고 있고 한극만 가진 자석은 없어요.
그래서 자석은 쌍극이지요.
만약 두 자석을 서로 가까이 하면 자성의 근본원리를 알 수 있어요.
같은 극끼리는 서로 밀치고 다른 극은 서로 끌어 당겨요.
만약 영구자석이 철 같은 일시자석에 닿으면
일시자석의 끝에서 극이 유도가 되요.
만약 북쪽을 향하는 극을 일시자석인 철 막대에
가까이 하면 철 막대의 끝은 남극 이 되고 다른 쪽은 북극이 되어요.
만약 영구자석을 틀어서 남극이 철 막대의 끝에 닿게 하면
철 막대의 끝이 북극이 되고 반대편이 남극이 되죠.
만약 영구자석을 제거하면 일시자석은 다시 원래대로 자력을 띠지 않는 상태로 돌아가요.
< 신비로운 자기장 >
자석은 접촉하지 않아도 다른 자석이나 철을 당기거나 밀수 있다.
자력은 빈공간,공기,마분지를 사이에 두고도 힘을 미친다.
과학자들은 자석주위의 공간을 자기장으로 나타낸다.
이들은 자석주위의 여러 점에서 자력의 방향을 관찰해서 자기장 지도를 그린다.
예를 들어 작은 나침반을 긴 막대자석 주위의 여러 다른 위치에 놓는다.
나침반은 자유롭게 회전 할 수 있으니까 각 지점의 자기장의 방향에 따라
위치를 나타낸다.
나침반의 위치를 관찰하면 어느 지점에서의 자기장의 방향을 결정 할 수 있다.
나침반이 가리키는 방향으로 조금씩 움직여 위치를 표시하고
선으로 연결하면 한극에서 시작하여 다른 극으로 이동하는 것을 볼 수 있다.
이 선들을 자기력 선 이라고 한다.
자기장의 세기는 북극에서 남극으로 향할 때 양으로 나타내고 ,
남극에서 북극으로 갈 때 음으로 표시한다.
자기력선은 자석 안에서도 존재한다.
한극에서 다른 극으로 향한다.
유리판 위에 철가루를 뿌리고 밑에 자석을 두면
자기력선을 따라 철가루가 배열 하게된다.
선이 서로 가까이 있을 때 자기장의 힘이 세고,
선이 떨어져 있을 때 자기장의 세기는 약하다.
자석의 두 극에서 자기력선과 철가루가 많이 모여 있는데,
자기장이 가장 세기 때문이다.
자기장의 형태는 자석의 모양을 변화시키면 변하게 할 수 있다.
긴 막대자석을 말굽모양으로 굽히면 자극이 더 가까워지게 된다.
대부분의 자기력선은 말굽의 두 끝 사이에 놓이게 된다.
다른 자기장 형태를 만들기 위해 자석을 여러 다른 형태로 만들 수 도 있다.
자석의 북극과 남극은 지구의 남극 북극과 나란하다.
지구가 거대한 자석이기 때문이다.
지구를 포함한 모든 자석은 자기장이라는 보이지 않는 힘에 의해 둘러싸여 있다.
자기장은 자석주위의 공간에까지 힘을 미친다.
자기장은 쉽게 볼 수도 있다.
탁자 위에 자석을 놓고 종이로 덮는다.
종이 위에 철가루를 뿌린다.
그러면 자기장의 힘에 의해서 철가루가 배열 되는 게 보인다.
자기장이 강한 곳에서는 철가루가 많이 모이게 된다.
< 지구라는 자석 >
지구의 거대한 자기장은 지구 중심 깊이 에 있는
아주 뜨거운 녹아있는 철에 의해서 만들어진다.
지구가 회전하면서 이 뜨거운 녹아있는 철도 같이 회전하여
전류를 만들어 낸다.
이와 같은 전류는 마치 지구에 거대한 보이지 않는 막대자석이
지구중심에 있는 것처럼 작용하여 지구는 북극과 남극을 가지게 된다.
지구의 자기북극은 사실은 지정학적 북극과는 1400km 나 떨어져 있다.
지구의 자기남극은 남극으로 부터 2753km 떨어져 있다.
지구가 거대한 자석이고 또한 강력한 자기장을 가지고 있기 때문에
지구는 천연자석 바위를 생산한다.
옛날 그리스인들은 지금의 터키 지방인 마그네시아란 지역에서
많은 자석 바위를 발견했다.
이런 바위의 일종이 마그네타이트라 이름 지워지고 이와 같은 것을
자석( 마그네트 ) 이라 했다.
마그네타이트는 이상하고 놀라운 자석바위 인데 딱딱하고 검은색이다.
마그네타이트는 전세계에 걸쳐 발견된다.
마그네타이트 말고도 지구에는 철이나 코발트 같은 광물질이 있는데
철이나 코발트는 영구자석으로 만들어 질 수 있다.
지구의 자기장은 아주 강력한 자연의 힘으로써
공기를 통해서도 전달되고 또한 고체도 통과한다.
< 나침반 >
비행기 조종사도,배의 선장도,우리들도 사막에서 길을 잃어 버렸을 때
나침반이 없다면 길을 찾을 수가 있을까?
나침반은 사람들이 사는 방식을 변화 시켰다.
이것은 온 세계 사람들에게 길을 가르쳐 주었고,
무역의 길을 열어주었고 다른 나라 사람들을 만날 수 있게 해주었다.
이 놀라운 기계는 어디에서 나왔을까?
1200 년경에 유럽인들이 긴 얇은 마그네타이트 조각을 실에 매달아 보니
항상 북과 남쪽을 가리키는 것을 발견했다.
유럽인들은 이것을 나침반으로 사용했고, 마그네타이트에
길을 안내하는 돌이라는 이름을 지어주었다.
나침반에는 침이 있다.
이 침은 자력을 띠고 있고 자유롭게 회전할 수 있다.
아무리 나침반을 움직여도 자침은 항상 북극과 남극을 가리킨다.
< 자성의 전달 >
못은 자석이 아니다.
다른 못을 붙여 들어올릴 수 없다.
그러나 못의 한쪽 끝을 영구자석에 닿게 하면 못의 원자가
일정하게 규칙적으로 배열하여 자성을 띠게 된다.
다른 못을 붙이면 계속 붙어나간다.
그러나 자석을 첫 번째 못에서 떼어내면 자성의 고리가 깨어져
두 번째 세 번째 못이 자성을 잃고 떨어진다.
자성은 첫 번째 못이 자석에 붙어 있는 한 지속된다.
이런 못을 일시자석 이라 한다.
< 자성과 전기 >
지구는 천연자석과 영구자석을 만드는 금속을 만들어 낸다.
영구자석은 자성을 늘 가지고 있다.
영구자석으로 나침반의 바늘을 자화 시킬 수 있다.
일시자석 에 대해 알아보자.
일시자석을 만드는 능력은 가장 중요하고 흥미 있는 자성의 특성 중의 하나다.
가장 흥미 있는 일시자석은 전자석이다.
자성과 전기는 특별한 관계가 있다.
이 두 힘은 분리할 수가 없다
전기는 전자기라 하는 특별한 종류의 일시자석을 만들어 낸다.
전자석은 전류를 사용해서 만들어내는 자석이다.
전자석은 못과 건전지, 구리선으로 만들 수 있다.
전류가 구리선을 따라 흐를 때 못은 자성을 띠게 된다.
램프처럼 전자석도 껐다 켰다 할 수 있다.
전자석이 없다면 텔레비도, 전화도, 라디오도 있을 수 없고
선풍기나 헤어드라이기를 돌아가게 하는 전기 모터도 있을 수 없다.
우주왕복선 에도 많은 자석이 들어 있다.
전자석은 건전지 같은 전기에 연결된다.
건전지는 전류를 만들어 낸다.
전류가 전선을 따라 흐를 때마다 자기장이 전선주위에 형성된다.
못 주위에 전선을 감으면 못 속의 원자가 규칙적으로 배열된다.
이렇게되면 못이 자성을 띠게 된다.
전기와 자성은 분리 될 수 있을까?
전류가 선을 따라 흐를 때 자기장이 선 주위에 자동적으로 형성된다.
그래서 전기와 자성은 분리 될 수 없다.
< 초전도체 >
우리 일상 생활 에서도 자석이 많이 사용되고 있다.
자성은 많은 과학자들이 중요한 기계와 장치들을 발명하게 해주었다.
과학자들은 초전도체로 실험을 하고 있다.
이 자석은 전기는 적게 사용하면서도 전자석 보다 더 강력하다.
초전도성 자석 원반은 그 주위에 강력한 자기장을 가지고 있어
고체 코발트 공이 떠있게 할 수 도 있다.
초전도체는 미래의 자석이다.
초전도체를 사용하여 일본의 과학자들은 마그레브 라는 자기부상 열차를 만들었다.
이 자기부상 열차는 철로 위를 사실 떠서간다.
보통 열차에서는 기차바퀴와 철로의 마찰력 때문에 빨리 갈 수가 없다.
그러나 자기부상 열차는 철로 위를 떠서 가니까 기차와 철로사이의
마찰력도 없기 때문에 아주 빠른 속도를 낼 수가 있다.
