자석(磁石) 이야기
우리가 어릴 때에 친숙하게 가지고 놀던 자석이 인류문명의 꽃을 피운 주인공이다. 왜냐하면 자석은 전동기나 발전기에 없어서는 안 될 가장 중요한 구성품 중의 하나이다. 다시 말해서 자석이 없다면 전기를 발생하는 발전기와 우리 일상생활에 필요한 제품을 만드는데 필요한 전동기가 있을 수 없기 때문이다. 전기가 없는 현대 문명사회를 상상 할 수 있겠는가? 화학적인 방법으로 소량의 전기를 만들 수 있어나, 대량의 전기는 반드시 발전기를 통해서 만들어 진다.
발전기의 원리는 전자유도현상(1831년 패러데이가 발견)과 프레이밍의 오른손 법칙으로 설명 될 수 있다. 즉 도체와 자속이 상대운동을 하면 도체에 기전력(전압)이 유기되는 것이 전자유도현상이고, 프레이밍의 오른손 법칙은 오른손의 엄지, 인지 및 중지를 직각으로 펴서 오른손은 힘의 방향, 인자는 자속(자석에서 나옴), 중지는 기전력의 방향이다. 전자유도법칙에 따라 발전기는 회전전기자형과 회전계자형이 있다. 회전전기자형은 도체(코일 또는 전기자권선)가 회전하고 전자석(계자)이 정지해 있는 방식이고 소형발전기에 채택된다. 회전계자형은 도체(전기자권선 또는 고정자권선)이 정지하고 전자석(계자 또는 회전자)가 회전하는 방식으로 대형발전기는 전부 이 방식을 채택한다. 회전계자형(터빈이 계자를 회전시킴)에서도 원통형과 돌극형으로 분류되며, 화력발전소나 원자력발전소와 같이 대형 고속회전하는 발전기에는 원통형이 사용되고, 수력 및 양수등과 같이 저속으로 회전하는 발전기에는 돌극형이 사용된다. 앞에서 살펴본바와 같이 기전력(전압)을 얻기 위해서는 반드시 자속(계자 또는 회전자에서 만들어짐)이 필요하다는 것을 알 수 있다. 발전기에서 기전력만 만들어 지면 전류는 흐를 수 길 만 있으면 언제나 흐를 수 있다. 발전소의 주 생산품 인 전력은 바로 전압(기전력)에 전류를 곱하면 된다. 즉, 발전기의 기전력이 강물의 水源에 해당되어 인류 문명의 젖줄이 된다.
발전기에서 만들어진 전기의 대부분은 전동기에 공급되어 우리 일상생활에 필요한 수많은 물건들이 공장에 있는 전동기에 의해 만들어 진다. 공장하면 전동기가 연상된다. 우리 가정집도 전동기의 영향에서 절대로 벗어 날 수 없다. 에어컨, 냉장고, 세탁기, 선풍기, 믹서기 등에 전동기가 있기 때문이다. 이러한 가전제품 없는 현대 문명사회를 상상 할 수 있겠는가 ? 다시 말해 자석이 있으므로 발전기와 전동기가 있고, 이들이 있으므로 현대 문명사회가 있는 것이다.
그러면 인류문명의 주인공인 자석에 대해 알아보자. 철편을 끄는 물체를 자석 이라하고, 끄는 힘이 가장 강한 부분을 자극이라 한다. 막대자석을 수평으로 매달았을 때 북쪽을 가리키는 것을 북극(N
극)이라 하고 남쪽을 가리키는 것을 남극(S극)이라 한다. 즉 나침반이 되는 것이다. 자석의 N극에서 나와 S극으로 들어가는 가상적이 선을 자력선이라 한다. 자력선의 다발을 자속이라 한다. N극은 남자에 해당되고 S극은 여자에 해당된다고 생각 할 수 있다.
자석에서 같은 극끼리 가까이 하면 서로 밀어내는 힘(척력)이 작용하고 다른 극끼리 만나면 끌어당기는 힘(인력)이 작용한다. 두 극 사이에 작용하는 힘은 두자극의 세기의 곱에 비례하고 두 극의 거리 제곱에 반비례(쿨롱의 법칙)한다. 남여간의 사랑도 자석과 비슷하게 쿨롱의 법칙이 적용 된다고 할 수 있다. 두 남여 간에 큰 사랑의 힘이 작용하기 위해서는 거리(지리적 및 정신적)가 가까워야하고, 각자의 사랑에 대한 열정(자극의 세기에 해당)이 강해야 한다. 또한 자성체에는 상자성체(철, 니켈, 코발트, 알루미늄, 주석, 백금 등, 여기서 철, 니켈, 코발트와 같이 강하게 자화되는 것을 강자성체라 함)와 반자성체(구리, 납, 아연, 탄소 등)가 있는데, 상자성체는 자석에 붙고, 반자성체는 자석에 반발하게 된다.
자석을 아무리 적게 나누어도 자석의 성질을 잃지 않고 항상 N극 및 S극이 동시에 존재(쌍자극)하며, 자력선 N극에서 나와 S극으로 들어간다. 이것은 자석 내 수 많은 분자자석 때문이다. 그래서 발전기나 전동기에서 반드시 짝수 극 이여야 한다. 예를 들면 우리나라 화력발전소의 발전기는 모두 2극, 원자력발전기는 4극, 발전소 비상발전기는 6극 등 반드시 짝수 극 발전기 만 존재한다. 요즈음은 N극이나 S극 하나만 존재하는 자석(단자극) 존재할 걸로 믿고 연구가 진행되고 있다. 이것을 이론적으로 규명하거나 만들어내면 노벨 물리학상은 따논 당상 이라 할 수 있다.
그런데 자석에는 영구자속과 전자석이 있는데, 소용량 발전기에는 주로 영구자석이 사용되고 발전소의 대용량 발전기에는 전부 전자석이 사용된다. 그 이유는 대용량 발전기에는 많은 자속이 필요한데 영구자석에서는 한계가 있고, 또한 전자석에서는 자속량을 자유롭게 조절 할 수 있기 때문이다. 발전소에 있는 발전기에서는 자속량을 조절하여 전압과 무효전력을 조정 할 수 있다.
家和萬事成의 근원은 가정이고 가정의 근원은 夫婦이다. 즉 부부가 화목해야 가정이 화목하고 가정이 화목해야 모든 일이 잘 이루어진다. 우리나라 이혼율이 47%(2002년 통계청 자료 : 혼인건수 306,600쌍, 이혼건수는 145,300쌍, 이혼율 산정방식에는 논란이 있음)로 미국 다음 높다고 한다. 이렇게 높은 이혼율로 자녀, 재산 등 여러 가지 문제들로 어떻게 가정이 화목 할 수 있겠는가? 그래서 우리가 죽음이 두 사람을 갈라놓지 않는 한 부부가 항상 자석처럼 함께 한다면 이혼율은 줄어 가화만사성이 되지 않겠는가?. 즉 N극과 S이 만나 자석을 이루고 자석이 발전기의 중요한 구성품이 되어 현대 문명에 없어서는 안 될 전기를 만들어 세상을 밝히듯이, 남자와 여자가 만나 화목한 가정을 만들고 그 화목한 가정이 사회를 구성하면 살맛나는 세상이 될 것 이라고 생각해본다.
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작성 : 교수 정 성우 (2007. 2. 26). 끝.