자성체
본문냉장고 문에는 자석이 붙지만 알루미늄 냄비에는 붙지 않는다. 클립은 자석에 붙은 동안 다른 클립을 끌어당기다가, 자석에서 떼면 대부분 그 힘을 잃는다. 모든 물질은 원자로 되어 있는데, 왜 어떤 물질만 자석에 강하게 끌릴까?
2.4.1원자 속의 작은 자석
원형 도선에 전류가 흐르면 막대자석처럼 N극과 S극이 생긴다. 원자 속 전자도 원자핵 둘레를 돌고 스스로 회전하는 성질(스핀)을 가지므로, 원자 하나하나가 아주 작은 자석처럼 행동할 수 있다. 그러나 대부분의 물질에서는 원자 자석들이 제멋대로 향하거나 서로 상쇄되어, 물체 전체로는 자석의 성질이 드러나지 않는다.
외부에서 자기장을 걸면 원자 자석들이 영향을 받아 물체 전체가 자석의 성질을 띠는데, 이것을 자화라 한다. 자화되는 방향과 세기에 따라 물질을 세 가지로 나눈다.
외부 자기장 방향으로 강하게 자화되고 자기장을 없애도 자화가 남는 물질을 강자성체(철, 니켈, 코발트), 같은 방향으로 약하게 자화되었다가 자기장을 없애면 곧 사라지는 물질을 상자성체(알루미늄, 마그네슘, 산소), 반대 방향으로 약하게 자화되는 물질을 반자성체(구리, 물, 유리)라 한다.
2.4.2강자성체와 자기 구역
강자성체에서는 이웃한 원자 자석들이 서로 같은 방향을 향하려는 성질이 매우 강하다. 그래서 수많은 원자가 한 방향으로 정렬한 작은 영역, 곧 자기 구역이 만들어진다. 자기화되지 않은 철 못에서는 자기 구역들의 방향이 제각각이라 전체로는 상쇄된다.
자석을 가까이 대면 외부 자기장 방향의 자기 구역이 커지고 다른 구역은 줄어들어, 철 전체가 강한 자석이 된다. 자석의 N극 앞에 S극이 생기므로 철은 자석에 끌린다. 그림 1에서 물질을 바꾸며 같은 자기장에서 정렬되는 정도를 비교해 보자. 상자성체는 원자 자석이 따로따로 조금씩 기울 뿐이라 끌리는 힘이 수만 배 약하고, 그래서 알루미늄 냄비는 자석에 붙지 않는 것처럼 보인다.1
2.4.3예제 풀이
철 클립 A와 구리 클립 B, 알루미늄 조각 C를 강한 자석에 각각 붙였다가 뗀 뒤, 바늘처럼 작은 철가루 더미에 가져갔다. 철가루를 끌어당기는 것은 어느 것인가? 또 철 클립 A를 불꽃으로 아주 뜨겁게 달군 뒤 자석에 대면 어떻게 될까?
자석에서 뗀 뒤에도 자화가 남는 것은 강자성체뿐이다. 구리 B는 반자성체, 알루미늄 C는 상자성체이므로 자석에서 떼는 순간 자화가 사라진다. 따라서 철가루를 끌어당기는 것은 A이다. 다만 클립처럼 무른 철은 남은 자화가 약해 몇 개의 철가루만 붙는다.
철을 약 770 °C 이상으로 달구면 원자들의 열운동이 너무 활발해져 자기 구역의 정렬이 무너진다. 이 온도를 퀴리 온도라 하며, 그 이상에서 철은 상자성체처럼 행동하여 자석에 거의 붙지 않는다. 식으면 다시 강자성을 되찾는다.
하드디스크와 교통 카드의 마그네틱 띠는 강자성체의 남은 자화로 정보를 기록하고, 전동기와 변압기의 철심은 자화가 쉽게 일어났다 사라지는 무른 강자성체로 만든다. 아래 탐구 카드에서 여러 물질이 자석에 어떻게 반응하는지 직접 비교해 보자.
- 반자성은 모든 물질에 있지만 매우 약해서 보통은 다른 효과에 가려진다. 아주 강한 자석 위에서는 물을 많이 품은 개구리가 반자성 때문에 공중에 뜨는 실험이 실제로 이루어졌다.
원자는 전자의 운동 때문에 작은 자석처럼 행동하고, 외부 자기장 속에서 물질은 자화된다. 강자성체는 자기 구역이 통째로 정렬하여 강하게 자화되고, 상자성체와 반자성체는 아주 약하게 자화된다. 그래서 처음 질문의 철은 자석에 붙고, 알루미늄은 끌리는 힘이 너무 약해 붙지 않는 것처럼 보인다.