[기초물리] 3-2 자기장

저번 포스팅에서 전기장에 대해 공부를 해보았습니다. 모든 물질은 원자와 전자로 이루어져 있고 자유전자의 이동으로 인해 (+)전하 혹은 (-)전하를 띤 물질로 변하여 주변에 전기장이 발생한다고 했습니다. 이번에 알아볼 내용은 전기장과 짝을 이루는 자기장입니다. 자성을 지닌 물체는 금속과 같은 물체에 자기력을 작용하는데, 이때 자기력이 미치는 영역을 자기장이라고 합니다. 그럼 자성부터 좀 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.

지구상에는 다양한 물질이 있습니다. 그 중에 특이한 돌이 있는데 이 돌은 철, 니켈, 크롬과 같은 금속을 끌어당기는 성질이 있습니다. 이 성질을 자성이라고 하며, 자성을 띠고 있는 물체를 우리가 흔히 알고 있는 자석(magnet)이라고 합니다. 꼭 자석이 아니더라도 자성을 띠는 물질을 자성체(magnetic material)라고 합니다. 신기하게도 자석 주위에 나침반을 놓으면 자석은 나침반의 자침에 힘을 작용합니다. 자석 주변에 철가루를 뿌리면 자석의 양 끝 부분에는 철가루가 많이 달라붙으나 가운데 부분에는 거의 달라붙지 않습니다.

이와 같이 자성이 강한 자석의 양 끝 부분을 자극(magnetic pole)이라고 합니다. 자석을 수평으로 매달았을 때 지구의 북쪽을 가리키는 극을 N극(north pole), 남쪽을 가리키는 극을 S극(south pole)이라고 합니다. 막대 자석을 2개로 자르면 N극과 S극이 분리되지 않고, 2개의 또 다른 막대 자석이 됩니다. 이 과정을 되풀이해서 원자나 전자 크기가 될 때까지 잘라도 순수한 N극과 S극, 즉 자기 홀극(magnetic monopole)이 되지 않습니다. 아무리 작아도 역시 2개의 극이 존재하게 되는 것이죠. 전기에서 (+),(-)전하 한 쌍을 전기 쌍극자라고 하듯이 자기에서도 N극과 S극 한 쌍을 자기 쌍극자(magnetic dipole)라고 합니다. 이것이 자석과 다른 물질의 큰 차이점입니다. 두 자석의 극을 가까이 하면 같은 종류의 극 사이에는 척력이 작용하고 다른 종류의 극 사이에는 인력이 작용합니다. 이 힘을 자기력이라고 하죠.

자석 근처에 나침반을 놓으면 자석으로부터 힘을 받아 나침반 자침이 움직이다가 잠시 후 일정한 방향을 가리킵니다. 자석의 자극은 그 주위 공간에 있는 다른 자석에 자기력을 미치는 공간을 만드는데, 이와 같이 자기력이 미치는 공간을 자기장(magnetic field)이라고 합니다. 자기장 내에서 나침반의 자침의 N극이 가리키는 방향을 따라 조금씩 이동해 가면 하나의 곡선이 그려집니다. 이러한 선을 자기력선이라고 합니다. 자기력선은 자석의 N극에서 나와서 S극을 향합니다. 자석 내부에서는 S극에서 N극을 향하면서 닫힌 곡선(폐곡선)을 이룹니다. 자기련선은 끊어지거나 서로 교차하지 않으며 한 점에서의 접선 방향이 그 점에서 자기장의 방향이 됩니다. 자기력선의 밀도는 그 위치에서 자기장의 세기이며, 자기력선의 간격이 좁은 곳은 자기장의 세기가 강합니다.

자기장에서 중요한 개념은 자속입니다. 자기장에 수직인 단면을 지나는 자기력선의 총 수를 자기력선속(자속 magnetic flux)이라고 합니다. 자기력선속은 (파이)로 표시합니다. 자기장 B에 수직인 단면적 S를 지나는 자기력선속 는 다음과 같습니다.

이 자기력선속을 자기장의 세기로 판단할 수 있고 또는 자속의 밀도라고도 합니다. 자기 세기 B의 단위는 Wb/m^2이며 이것을 테슬라(T, Tesla)라고 합니다.

자석은 유리판, 구리판, 공기, 종이 등 여러 물체를 통과해도 자기력을 작용합니다. 하지만 물체에 따라 자기력이 약화되거나 약화되지 않습니다. 예를 들어 외부 자기력선은 철로 된 구의 내부 공간으로 거의 들어가지 않고 반대로 내부에 자석을 놓아두면 자석으로부터 나오는 자기력선은 철로 된 구의 외부로 거의 새어 나가지 않습니다. 이를 자기장 차폐 현상이라고 합니다.

자성을 가지고 있지 않는 물질 중 철은 자석을 가까이 하거나 자기장 속에 넣으면 자석이 됩니다. 철 원자에 의한 자기장 때문에 원자들이 상호 작용하여 같은 방향으로 배열되는데 이 때 철은 자화되었다라 합니다. 철과 같은 물질들이 자성을 나타내는 것은 전자의 자기 쌍극자 때문입니다. 원자핵 역시 쌍극자 자기장을 만들어 내지만 전자에 의한 자기장보다 수천 배나 약합니다. 따라서 전자의 운동은 여러 가지 유형의 물질에 대한 자기적 성질을 설명해 줍니다. 대부분의 원자나 분자들은 알짜 자기장을 가지고 있지 않지만 외부 자기장에 자기적으로 반응합니다. 물질이 받는 자기적 성질에 따라 강자성(ferromagnetic), 상자성(paramagnetic), 반자성(diamagnetic)으로 구분합니다.

물질을 자기장 내에 놓았을 때 자화되어 자석에 강하게 끌리는 성질을 강자성이라 하고 강자성을 띠는 물질을 강자성체라고 합니다. 철, 니켈, 코발트 등이 강자성체이며 자화된 강자성체는 외부 자기장이 사라져도 자성을 띠고 있어 자석과 같은 물체를 끌어당깁니다. 이 물질은 VCR, TV 수신기, 전화기나 신용카드 뒷면 등에 사용됩니다.

물질을 자기장 내에 놓았을 때 자기장의 방향으로 약하게 자화되는 성질을 상자성이라 하고 상자성을 띠는 물질을 상자성체라고 합니다. 종이, 알루미늄, 산소, 마그네슘, 텅스텐 등이 상자성체이며 강력한 자석 주위에 놓으면 약하게 자화되지만 외부 자기장이 사라지만 바로 자화가 사라집니다.

반자성은 외부 자기장 방향과 반대 방향으로 자화되는 성질을 말합니다. 대부분의 물질(물, 유리, 구리, 납, 수은 ,나무 등)과 기체(질소, 수소, 이산화 탄수 등)는 강자성체나 상자성체와는 반대 방향으로 약하게 자화되고 외부 자기장을 제거하면 바로 자화가 사라집니다.