자기장과 자기력에 관한 사실

 

 

자력은 전하를 움직여서 생기는 자연의 힘이다. 때때로 이러한 움직임은 미세하고 자석이라고 알려진 물질의 내부에 있다. 자석, 즉 전하를 움직여서 생기는 자기장은 다른 자석을 끌어당기거나 밀어낼 수 있으며, 다른 충전된 입자의 움직임을 변화시킬 수 있다.

 

조지아 주립대학의 하이퍼물리학 웹사이트에 따르면, 자기장은 로렌츠 힘이라고 알려진 입자에 힘을 발휘한다. 자기장에서 전기로 충전된 입자에 작용하는 힘은 전하의 크기, 입자의 속도, 자기장의 강도에 따라 달라진다. 로렌츠 힘은 입자들이 원래 움직임과 직각으로 움직이게 하는 독특한 특성을 가지고 있다.

 

철과 같은 일부 물질은 영구 자석으로 알려져 있는데, 이는 영구 자장을 유지할 수 있다는 것을 의미한다. 이것들은 일상 생활에서 마주치는 가장 흔한 형태의 자석이다. 철, 코발트, 니켈과 같은 다른 물질들은 그것들을 더 크고 강력한 영역의 내부에 놓음으로써 임시 자기장을 줄 수 있지만, 결국 그러한 물질들은 그들의 자력을 잃게 될 것이다.

 

자석의 작용 방식

 

자기장은 전하의 움직임에 의해 생성된다. 전자는 모두 "spin"이라고 알려진 각운동량의 근본적인 양자역학적 특성을 가지고 있다. 원자 내부에서는 대부분의 전자가 쌍을 이루는 경향이 있는데, 그 중 하나는 "팽개쳐"이고 다른 하나는 "팽개쳐" 즉, 그들의 각진 모멘텀은 반대 방향을 가리키고 있다. 이 경우 그 회전들이 만들어낸 자기장이 반대 방향을 가리키기 때문에 서로 취소한다.

 

그러나 어떤 원자는 하나 이상의 미장착 전자를 포함하고 있으며, 이러한 미장착 전자는 아주 작은 자기장을 생성한다. 비파괴시험(NDT) 자원 센터에 따르면 이들의 회전 방향이 자기장의 방향을 결정한다. 상당수의 무손상 전자가 같은 방향으로 스핀과 정렬되면 결합하여 거시적 눈금에서 관측할 수 있을 만큼 강한 자기장을 생성한다.

 

자기장 공급원은 북극과 남극을 가진다는 뜻의 쌍극이다. 산호세 주립대학의 조셉 베커에 따르면, 반대 극(N과 S)은 반대 극(N과 N, 또는 S와 S)을 끌어당기고 반대 극(N과 N) 또는 반대 극(S와 S)을 밀어낸다. 이것은 들판의 방향이 북극에서 바깥쪽으로 전파되어 남극을 통해 들어오면서 토로이드, 즉 도넛 모양의 들판을 만든다.

 

지구 자체가 거대한 자석이다. NASA에 따르면, 이 행성은 녹은 금속 코어 안에서 전류를 순환시킴으로써 자기장을 얻는다. 나침반은 작은 자기 바늘이 매달려서 케이싱 안에서 자유롭게 회전하여 지구의 자기장과 정렬할 수 있기 때문에 북쪽을 가리킨다. 역설적으로 우리가 자성 북극이라고 부르는 것은 나침반 바늘의 북극 자성을 끌어당기기 때문에 사실상 남극 자성극이다.

 

자성의 역사

 

외부 자기장이나 전류를 가하지 않고 손상된 전자의 정렬이 지속되면 영구 자석을 생성한다. 영구 자석은 철자성의 결과물이다. 접두사 "페로"는 영구 자력이 처음으로 자석인 Fe3O4라고 불리는 천연 철광석의 형태로 관측되었기 때문에 철을 말한다. 자석 조각들은 지구 표면 위나 근처에 흩어져 있을 수 있으며, 때때로 한 조각은 자석화 될 것이다. 이러한 자연적으로 발생하는 자석을 숙소라고 한다. 과학자들은 어떻게 숙소가 형성되는지 정확히 알지 못하지만, "대부분의 과학자들은 숙석이 번개에 맞은 자석이라고 믿고 있다"고 애리조나 대학은 밝혔다.

 

사람들은 곧 쇠바늘을 숙석으로 쓰다듬어 자기화할 수 있다는 것을 알게 되었고, 이로 인해 바늘에 있는 대부분의 손상되지 않은 전자들이 한 방향으로 정렬하게 되었다. NASA에 따르면, 서기 1000년경, 중국인들은 물그릇에 떠 있는 자석이 항상 남북 방향으로 줄지어 있는 것을 발견했다고 한다. 그 후, 특히 별이 구름에 가려져 있는 낮과 밤에 자기 나침반은 항해에 엄청난 도움이 되었다.

 

철 외에 다른 금속들은 강자성 특성을 가질 수 있다. 이것들은 니켈, 코발트 그리고 사마륨이나 네오디뮴과 같은 희토류 금속들을 포함하는데, 이 금속들은 초강력 영구 자석을 만드는데 사용된다.

 

자성의 다른 형태

 

자력은 다른 많은 형태를 취하지만, 강자성을 제외하고, 민감한 실험실 기구에 의해서나 매우 낮은 온도에서 관찰되기에는 보통 너무 약하다. 안톤 브루넘스는 철분이 함유된 물질을 찾는 과정에서 영구 자석을 사용하다가 1778년 처음으로 직경을 발견했다. 독일의 독립 연구자 겸 발명가인 제럴드 뮐러에 따르면 브뤼넬스는 루마니아 기술과학저널(Journal of Technical Sciences)에 발표한 논문 '다이아마그네틱 공중부양 - 역사적 이정표'에서 "어두워지고 보라색에 가까운 비스무트만이 연구에서 특별한 현상을 보였다.물 위에 떠 있는 둥근 종이 위에 올려놓으면, 자석의 양쪽 극에 의해 격퇴된다.'

 

극물리학에 따르면, 직경 자기학은 원자 내에서 전자의 궤도 운동이 약한 자기장을 생성하는 미세한 전류 루프를 생성함으로써 발생한다. 재료에 외부 자기장을 적용할 때, 이러한 전류 루프는 적용된 장에 반대되는 방식으로 정렬하는 경향이 있다. 이것은 영구 자석에 의해 모든 물질들을 밀어내게 하지만, 그 결과의 힘은 보통 너무 약해서 눈에 띄지 않는다. 그러나 몇 가지 주목할 만한 예외도 있다.

 

흑연과 비슷한 물질인 열화탄소는 비스무트보다 훨씬 강한 직경을 보여주며, 비록 한 축을 따라 있을 뿐이지만, 실제로 초강도의 희토류 자석 위에 공중 부양될 수 있다. 특정 초전도 물질은 임계 온도(초전도체가 되는 온도)보다 훨씬 더 강한 직경을 보이며, 따라서 희토류 자석은 그 위에 공중부양을 할 수 있다.(이론적으로 상호 거부감 때문에 다른 물질보다 공중부양을 할 수 있다)

 

파라마그네틱은 물질이 자기장에 놓이면 일시적으로 자석이 되고 외부장이 제거되자마자 비자기 상태로 되돌아갈 때 발생한다. 자기장을 적용하면 일부 손상된 전자 스핀이 자기장과 일직선을 이루며 직경이 만들어내는 반대력을 압도한다. 하지만 그 효과는 매우 낮은 온도에서만 눈에 띈다"고 미주리주립대 물리학과 다니엘 마쉬 교수는 말했다.

 

다른, 더 복잡한 형태는 원자나 분자의 자기장이 서로 나란히 정렬되는 항초자석학과 강자성과 항초자성 상호작용을 모두 포함하는 스핀 글라스 행동을 포함한다. 또한, 강자성은 서로 공유되는 많은 유사성 때문에 강자성과 반소자성의 결합으로 생각할 수 있지만, 여전히 고유의 독특함을 지니고 있다고 데이비스 캘리포니아 대학교는 밝혔다.