자석

개요

자석은 특정 물질로 만들어져 주변에 자기장을 형성하는 물체이다. 이 자기장은 철, 니켈, 코발트와 같은 강자성체를 끌어당기는 힘을 발휘한다. 자석은 천연적으로 존재하는 천연 자석과 인공적으로 만들어진 인공 자석으로 나뉜다. 천연 자석은 자철석(magnetite)과 같은 광물에서 발견되며, 인공 자석은 강자성체를 자화시켜 만든다. 자석의 성질은 자기 모멘트, 자화, 자기장 세기 등의 물리량으로 정량적으로 기술된다.

역사

자석의 존재는 고대부터 알려져 왔다. 고대 그리스에서는 자철석의 성질을 관찰하였고, 중국에서는 일찍이 나침반으로 활용하였다는 기록이 있다. 13세기에는 자석의 성질에 대한 체계적인 연구가 시작되었으며, 17세기에는 영국의 과학자 윌리엄 길버트가 지구 자체가 거대한 자석임을 밝혀내었다. 19세기에는 앙페르와 패러데이의 연구를 통해 전기와 자기의 밀접한 관계가 밝혀졌고, 자기장의 발생 원리가 밝혀지면서 자석에 대한 이해가 크게 발전하였다. 현대에는 다양한 종류의 자석이 개발되어 산업 전반에 걸쳐 널리 활용되고 있다.

종류

자석은 여러 가지 종류가 있으며, 재료와 자화 방식에 따라 분류된다. 영구 자석은 자성을 영구적으로 유지하는 자석이며, 전자석은 전류의 흐름에 의해 자성을 띠는 자석이다. 영구 자석은 페라이트 자석, 네오디뮴 자석, 사마륨 코발트 자석 등 다양한 재료로 만들어진다. 각 재료는 자기적 성질, 내구성, 가격 등의 특징이 다르다. 전자석은 전류의 세기와 코일의 감긴 수에 따라 자기장의 세기를 조절할 수 있다는 장점이 있다.

원리

자석의 성질은 원자 수준에서 전자의 스핀과 궤도 운동에 의한 자기 모멘트 때문에 발생한다. 강자성체에서는 많은 원자의 자기 모멘트가 서로 정렬되어 거시적인 자기장을 형성한다. 외부 자기장에 의해 자화된 물질은 자기장이 사라진 후에도 일정 부분 자성을 유지할 수 있는데, 이를 잔류 자기라고 한다. 영구 자석은 이러한 잔류 자기가 큰 물질로 만들어진다. 전자석은 전류가 흐르는 코일 주변에 자기장을 생성하는 전자기 유도 현상을 이용한다.

응용

자석은 다양한 분야에서 활용된다. 가장 대표적인 예로는 나침반, 전기 모터, 발전기, 스피커, 하드 디스크 드라이브, MRI 기기 등이 있다. 또한, 자기 부상 열차, 자기 분리기 등과 같이 더욱 복잡한 시스템에도 자석이 필수적인 요소로 사용된다. 산업 전반에 걸쳐 자석의 활용은 계속해서 확대되고 있다.