[과학] 철이 자석에 붙는 이유 자기장 원리, 일상생활에서 자석을 이용하는 예

자석은 자성(磁性)을 지닌 물체를 말하며 자성은 철, 니켈, 코발트와 같은 특정 금속이나 다른 자석을 끌어당기거나 밀어내는 힘을 말하며, 이러한 힘이 미치는 공간을 자기장이라고 합니다. 자석은 항상 N극(북극)과 S극(남극)이라는 두 개의 극을 가지고 있습니다. 같은 극끼리(N-N 또는 S-S)는 서로 밀어내는 척력이 작용하고, 다른 극끼리(N-S)는 서로 끌어당기는 인력이 작용합니다. 이 힘의 크기는 거리가 멀어질수록 약해집니다.자석을 실에 매달아 자유롭게 회전하게 하면 항상 남북 방향을 가리킵니다. 이는 지구가 거대한 자석이기 때문입니다.자석을 아무리 작게 잘라도 각각의 조각은 다시 N극과 S극을 모두 가진 새로운 자석이 됩니다. 즉, 하나의 극만 존재하는 자석은 만들 수 없습니다. 오늘은 이러한 자석이 철에 붙는 이유, 자기장을 갖는 이유 등에 대해서 살펴볼게요.

자기장

자석과 물체 사이의 힘의 작용 알아보기

자석과 물체 사이의 힘은 물체를 이루는 물질이 외부 자기장에 반응하는 성질과 관련이 있다. 여러 가지 물질은 외부 자기장에 반응하는 성질에 따라 강자성체, 상자성체, 반자성체로 분류할 수 있다.

 

강자성체

자석을 가까이 하면 잘 붙는 물질로 철, 니켈, 코발트나 이 원소들의 화합물, 합금 등으로 이루어진 물질이 해당된다. 외부 자기장을 가할 때 외부 자기장과 같은 방향으로 자화되는 물질이며, 외부 자기장이 사라져도 자화된 상태를 유지한다.

 

상자성체

보통의 자석을 가까이 하면 잘 붙지 않지만, 매우 강력한 자석을 가까이 하면 약하게 붙는 물질로 알루미늄, 백금, 산소 등이 해당된다. 외부 자기장을 가할 때 외부 자기장과 같은 방향으로 약하게 자화되는데, 외부 자기장이 사라지면 자화된 상태를 유지하지 않는다.

 

반자성체

보통의 자석을 가까이 하면 잘 붙지 않지만, 매우 강력한 자석을 가까이 하면 밀어 내는 물질로 금, 은, 구리, 아연, 물 등이 해당된다. 외부 자기장을 가할 때 외부 자기장과 반대 방향으로 자화되는 물질이다.

 

철로 만든 물체가 자석에 붙는 이유

강자성체인 철은 평소에는 자석의 성질을 띠지 않지만 자석을 가까이 하면 자석의 성질을 띤다. 평소에 철로 만든 물체가 자석의 성질을 띠지 않는 까닭은 철 내부에 있는 작은 자석이 여러 방향으로 흩어진 채 놓여 있기 때문이다. 그런데 철로 만든 물체에 자석을 가까이 하면 철로 만든 물체를 구성하는 작은 자석이 일정한 방향으로 정렬하며 철이 자화된다. 이렇게 철이 자화되면 막대자석의 S극과 가까운 쪽이 N극, 먼 쪽이 S극인 자석의 성질을 띠며, 막대자석과 철로 만든 물체 사이에 서로 끌어당기는 힘이 작용해 붙게 된다.

 

스테인리스강은 녹이 슬지 않게 만든 철의 합금인데 주요 성분 및 결정 구조의 차이에 따라 여러 가지 종류가 있다. 오스테나이트계 스테인리스강은 자석에 붙지 않고, 페라이트계와 마르텐사이트계 스테인리 스강은 자석에 붙는다. 자석과 철로 만든 물체는 서로 끌어당기는데 자석만 철로 만든 물체를 끌어당기고 철로 만든 물체는 자석을 끌어당기지 않는다는 오개념을 가지고 있다. 이러한 오개념은 소화기나 책상의 다리와 같이 자석에 비해 무거운 철로 만든 물체를 이용하면 바로잡을 수 있는데 실에 매단 자석을 철로 만들어진 책상의 다리 부분이나 철로 만들어진 소화기에 가까이 하면 자석이 철로 만들어진 물체 쪽으로 끌려가서 붙는 것을 관찰할 수 있다.

 

자기장

자석 주위와 같이 자기력이 작용하는 공간을 자기장이라고 하며, 자기장 속에 자침을 놓았을 때 N극이 가리키는 방향을 연속적으로 이은 선을 자기력선이라고 한다. 막대자석 주위의 자기장은 막대자석의 극 주위에서 가장 세고, 자석에서 멀어질수록 자기장의 세기도 약해진다. 자기장의 방향은 막대자석의 N극에서 나와서 S극으로 들어가는 방향이다. 자석과 철로 만든 물체가 약간 떨어져 있어도 서로 끌어당기는 까닭은 자기력이 작용하는 공간인 자기장과 관련 있다. 직접 접촉하지 않아도 작용하는 비접촉력인 중력, 전기력, 자기력의 힘이 미치는 공간을 각각 중력장, 전기장, 자기장이라고 한다.

 

자석에 붙지 않는 물질을 통과하는 자기장

자석 주위에 형성되는 자기장은 종이, 플라스틱, 유리, 나무 등 자석에 붙지 않는 물질들과 상호 작용하지 않는다. 즉, 자석 주위의 자기력선은 자석에 붙지 않는 물질을 그대로 통과하며, 자석에 붙지 않는 물체가 있을 때와 없을 때 자기력선의 방향이 변화하지 않는다. 따라서 자석과 철로 만든 물체 사이에 종이, 플라스틱, 유리, 나무 등 자석에 붙지 않는 다른 물체가 있어도 자석과 철로 만든 물체가 서로 끌어당길 수 있는 것이다. 자석과 철 클립 사이에 서로 끌어당기는 힘은 플라 스틱이나 종이와 같은 물질을 통과해 작용한다. 그러나 강자성체인 철판을 자석과 철 클립 사이에 놓으면 철 클립을 끌어당기지 못한다.

 

자석을 자르면 N극과 S극을 나눌 수 있을까?

자석을 구성하는 수많은 입자는 하나하나가 모두 작은 자석으로 되어 있다. 이 작은 자석들이 일정한 방향으로 배열되어 자기장을 형성한다. 막대자석을 자르더라도 자석 내부의 자기장 방향은 변하지 않는다. 막대자석을 자르면 각각 N극과 S극을 모두 가지고 자기장의 방향이 같은 두 개의 자석이 된다. 따라서 자석을 아무리 작게 자르더라도 자석의 극은 항상 N극과 S극이 함께 존재한다. 자석의 재료가 되는 물질에 외부 자기장을 가해 자화해서 자석이 되게 만드는 작업을 착자라고 한다. 같은 모양의 자석이더라도 착자 방법에 따라 N극과 S극의 위치가 다양하게 배치될 수 있다.

 

일상생활에서 자석을 이용하는 예

식품공장에서 철 분리

고춧가루나 보리 분말과 같은 가루 형태의 식품을 공장에서 기계로 빻아 만드는 과정에서 기계에 있던 아주 작은 철 가루가 떨어져 나와 섞일 가능성이 있다. 그래서 식품 공장에서는 봉 형태의 자석 필터를 사용하여 가루나 액체 상태의 식품에서 철 가루를 제거하는 과정을 거친다. 이때 자석 봉의 위치나 자력, 분쇄량 등에 따라서 철 가루를 제거하는 효과가 다를 수 있어 분말이나 액상 형태의 식품이 자석 봉에 반드시 접촉되도록 하고, 자석 봉과 충분한 시간 동안 접촉하도록 느리게 통과시키거나 여러 번 통과시키기도 한다. 이는 자석과 철이 서로 끌어당기는 성질을 우리 생활에 이용한 것이다. 식품에서 철 분리 식품에서 철 분리

식품공장 철 분리

자석으로 세슘을 제거하는 토양정화기술

한국원자력연구원(KAERI)은 자성 분리 기술을 이용해 방사성 오염 토양을 정화하는 친환경적이고 경제성 높은 기술을 개발하고 민간에 기술을 이전했다. 이 기술은 방사성 오염 토양에서 가장 흔한 세슘을 분리하는 기술로, 세슘이 점토와 강하게 결합하는 것을 이용한 것이다. 점토의 표면이 음(-)전하를 띠는 특성이 있다는 것에 착안하여 양(+)전하를 띠는 자성 나노 입자를 개발하여 세슘과 결합한 점토를 분리해 냈으며, 이 과정을 통해 토양 속 세슘을 95 % 이상 제거하는 데 성공했다.

자석으로 세슘분리 토양정화