1. 물질 속 자기장의 기원
자기력이란 물체가 쇠붙이를 잡아당기는 힘을 말한다. 보통 이런 성질을 가진 물질을 자석이라
고 한다.
그러나 자기력은 자석이라는 물질에서 나타나는 특수한 현상이 사실은 아니다. 자기력의 기원은 전류이다.
1) 전류가 만드는 자기장
초등학교 5학년에서 전선을 나침반 주위에 감고 전류를 흘리면 나침반이 움직이는 것을 관찰하는 내용이 있다. 이것은 바로 전류가 자기장을 만든다는 것을 보여주는 실험이다.
2) 전류를 이용한 자석: 전자석
따라서 자석이 없어도 전선과 전지만 있으면 실제로 쇠붙이를 당길 수 있을까? 정답은 그렇다 이다. 전자석이 바로 그것이다. (보통 전자석을 만들 때 쇠못을 이용하지만, 쇠못이 없어도 전자석은 만들어진다. 다만 좀 약할 뿐이다. 쇠못없이 연필이나 빨대 등에 코일을 감고 전류를 흘리면서 나침반을 가까이 하면 나침반이 움직이는 것을 관찰할 수 있다.)
3) 자석 속에도 전류가?
그렇다면 전지하고 전혀 연결되어 있지 않은 막대자석 속에도 전류가 흐르고 있을까?
가. 그렇다. 물질 속에서 흐르는 전류의 정체는 바로 물질을 구성하는 원자 속에 들어있는 전자의 움직임이다. 보통 전자는 원자핵을 중심으로 자전과 공전을 한다. 전자는 음전기를 띠고 있으므로 전자가 원운동하는 것은 마치 둥그런 코일 속에서 전하가 흘러서 원형 전류가 생기는 것과 동일하다.
나. 원형코일에 전류를 흘리고 코일 원판의 왼쪽과 오른쪽에서 자기장을 측정하면 방향이 다른 것을 관찰할 수 있다.
다. 마찬가지로 전자가 자전이나 공전을 하면 그 회전축 방향으로 자기장을 형성하고 있다는 것
을 알 수 있다. 이렇게 전자의 움직임이 전류가 되고 그 전류가 자석의 자기장을 형성하는 근원
이 되는 것이다.
2. 영구자석은 어떻게 만들어지나?
1) 자기구역의 형성
작은 나침반 여러 개를 서로 가까이하면 각각의 자기장이 서로에게 영향을 미쳐서 모든 나침반이 한 방향으로 배열하는 것을 알 수 있다.
이와 같이 자성물질 속에 있는 전자들도 서로 영향을 미쳐서 어떤 일정한 크기까지 그 속에 들어있는 전자들이 같은 방향으로 회전하면서 동일한 자기력 방향을 유지한다. 이러한 구역을 자기 구역이라 한다.
2) 강자성체와 상자성체
보통 쇠못과 같은 물질들이 자기력을 가지지 못하는 것은 이러한 자기구역의 자기장 방향들이 위의 그림처럼 제 멋대로 분포되어 있어서 알짜 힘을 가지지 못하기 때문이다. 그러나 영구자석들은 이러한 자기 구역이 모두 같은 방향을 유지하기 때문에 항상 일정한 자기력을 가진다.
그 차이는 무엇일까? 그것은 바로 자기구역이 같은 방향을 유지할 수 있는가 없는가 하는 물질의 성질 차이 때문이다. 보통의 강철은 이러한 자기구역을 일정하게 유지하기 어렵다. 이는 강철의 원자들이 끊임없이 열적인 요동을 하기 때문이다. 이런 물질을 상자성체라 한다. 이러한 상자성체는 자석이 가까이 오면 순간적으로 자기구역이 자석의 자기장 방향으로 배열하지만 자석을 제거하면 금방 원래처럼 불규칙하게 흩어진다.
영구자석을 이루는 물질을 강자성체라 한다. 강자성체는 처음에 자기구역이 흩어져 있었어도 주변에 자기장을 가까이하면 자기구역이 모두 한 방향으로 배열된 상태를 계속 유지한다.
(이러한 강자성체를 가루로 만들어 셀로판 테이프에 바른 다음 아주 미세한 자기장을 가까이하
면 자기장의 방향에 따라 가루의 자기구역이 다르게 형성된다. 이러한 성질을 이용하여 만든 기
록장치들이 바로 녹음테이프나 비디오테이프 같은 자성기록장치이다.)