[일반과학] 자석이란 무엇인가?

[루니안]

오랜 옛 전설에 따르면, 마그네스라는 이름의 양지기가 이다의 산기슭에서 양떼를 돌보고 있었다. 무심히 보니 검은 돌이 있는데, 그가 가지고 있는 쇠지팡이와 신고 있는 신발 밑창의 쇠못이 들러붙어서 움직일 수 없게 되었다. 이것이 자석의 발견에 첫장을 이루는 이야기이다.


지극히 불가사의한 이런 돌은 소아시아의 마그네시아(magnesia)라는 마을에서도 발견되었다. 자석을 일컫는 마그넷이란말은 이같은 마그네스 또는 마그네시아에서 유래를 찾아볼 수 있을 듯싶다.


세월이 흐르면서, 자기에 관하여 좀더 많은 것이 발견되었다. 자기를 가진 돌에 쇳조각을 비벼대면 그 쇠도 자석이 된다는 사실, 막대자석을 수평으로 늘어뜨리면 거의 남북을 향한다는 사실도 알게 되자 이로부터
방향을 탐지하는 나침반이 발명되기에 이르렀다.



엘리자베스 여왕 시대에 길버트(William Schmenck Gilbert :1540-1603)라는 물리학자는 자석과 지구의 자기를 면밀히 조사하였다. 그 결과 자석에는 두 극이 있고 각기 정반대라는 사실을 알게 되었다. 같은 종류의 극은 서로 반발하지만, 다른 극은 서로 끌어당긴다.


그 뒤 19세기 초까지는 자기에 관해서 별다른 것은 발견되지 않다가 1820년에 이르자, 덴마크의 과학자 외르스테드(Tans Christiam Ousted : 1777-1851)는 전류가 흐르는 강선의 둘레에 자기의 작용이 일어난다는 사실을 발견하였다. 이로써 연철의 핵에 강선을 감아서 전류를 통하면 자석이 된다는 사실이 발견되었다. 이리하여 그때까지 알려져 있던 어떠한 자석보다도 강력한 전자석이 만들어지게 되었다.


전자석의 출현으로 매우 유용한 여러 가지 도구를 만들 수 있게 되었다. 전자석은 쇠로 된 무거운 것을 들어올릴 뿐만 아니라, 벨이나 발전기, 모터 등에서도 중요한 구실을 맡고 있다. 전류를 사용하는 기계에는 으레 전자석이 들어 있다.


자석의 힘이 멀리 떨어져 있는 데까지 작용한다는 사실은 예로부터 알려져 있었으나, 이를 정확하고 뚜렷한 '지력선'이라는 개념으로 만들어낸 것은 마이클 패러데이(Michael Faraday : 1791-1867)이다. 역선이라고도 하며, 전장 또는 자장의 모양(전기작용이나 자기작용의 방향, 세기를 나타내는 곡선군), 장의 세기는 지력선의 변도에 의해 표시된다.


이와 같은 전자기의 이론을 발판으로 무선전신, 라디오, 텔레비전 등이 태어나게 된 것이다.


자석은 왜 쇠만 끌어당기는가


자기의 정체는 아직도 수수께끼이지만, 이를 설명할 수 있는 하나의 이론이 있다. 그 이론에 따르면, 쇳조각을 이루는 무수히 많은 분자는 하나하나 모두 극히 작은 천연의 자석이다. 이를 분자자석이라고 한다.


보통의 쇳조각 속에는 분자자석이 그야말로 엉망이 되어 제멋대로의 방향을 향하고 있다. 그래서 자석의 효과는 서로 소멸되기 때문에 밖으로 나타나지 않는다. 그러나 철이 자화되면 분자자석은 일제히 같은 방향으로 향한다. 그 때문에 나란한 자석의 극은 거로 부정하지만, 쇳조각의 양끝 부분은 성질이 그대로 남는다. 이 때문에 한쪽 끝은 북쪽을 가리키는 극, 곧 북극이 되고 한쪽은 남쪽을 가리키는 남극이 된다.


이것이 우리가 알고 있는 자석의 이치이다. 자석을 두 토막내면 잘라진 끝에 각기 새로운 극이 나타나2개의 자석이 되는데, 이것도 분자자석의 이론으로 설명할 수 있다.


이 이론을 됫받침하는 또 하나의 사실은, 자석을 시뻘겋게 달구면 자기가 없어지고 아무 것도 아닌 쇳조각으로 돌아가 버린다는 점이다. 이것은 온도가 높아지면 물질 속의 분자가 혼란을 일으켜 분자석이 저마다 멋대로 향해버리고, 그 때문에 서로 부정작용을 하여 자석이 없어져버리는 것이다.


단단한 강철 녹에는 분자가 꽉차 있으므로 움직이기가 어렵다. 그러므로 강철은 물렁한 보통의 쇠보다도 자화하기가 어렵다. 그러나 일단 자화하면 오랫동안 좀체로 자기를 끌지 않는다. 분자자석의 방향이 바뀌기 어렵기 때문이다.


자석은 자기와 같은 천연의 분자자석을 갖는 금속을 끌어 당긴다. 철분이 자석에 붙는 것은 이 때문이다. 분자가 자석으로 되어있는 금속은 그 밖에도 니켈과 코발트가 대표적인데 이들 모두 자석에 끌어당겨진다. 그러나 이들을 자화하면 쇠보다 약한 자석밖에 만들 수 없다.