길을 잃었을 때 주머니에서 무언가를 꺼냅니다. 동그란 박스안에 조그맣게 길다란 삼각 막대기가 중심점을 기준으로 좌우로 막 움직입니다. 그러고 나면 방향을 파악하고 다시 길을 나섭니다. TV 드라마나 영화속에서 종종 보았던 장면입니다. 주머니에서 꺼내진 그 무언가는 바로 나침반(羅針盤, Compass) 입니다. 나침반의 사전적 정의는 '자침이 남북을 가리키는 특성을 이용하여 만든 방향을 가리키는 도구'입니다. 초등학교에 입학해서 과학 시간에는 과학실로 이동을 합니다. 과학실에 가면 알콜 냄새와 뭔가 퀘퀘한 냄새가 나는데 과학실 한켠에는 인체의 해골 모형이 있고, 이것 저것 신기한 물건들이 많았습니다. 과학 도구 상자에 자석이 있는게 보입니다. 길다란 직사각형 쇠막대기인데 한쪽은 붉은색으로 칠해져 있고, 양 끝에 N자와 S자가 마킹되어 있습니다. 선생님이 이것은 자석이라는 쇠막대기이고 쇳덩어리에 가까이 대면 끌어 당기는 힘을 느낄것이다 라고 말해 줍니다. 다른 자석에 갖다 댔더니 다른 문자의 면끼리는 강하게 당기는데, 같은 문자의 면끼리는 서로를 밀어냅니다. 아주 신기하게 느꼈던 기억이 납니다. 거기에다가 쇠구슬을 갖다 대면 착 달라 붙습니다. 왜 이런 현상이 생기는 지 궁금해지는 게 아니라 그 현상 그 자체가 그냥 신기하기만 했던 기억이 납니다. 왜 이런 현상이 생기는 것일까요? 왜 저 쇠막대기에 무슨 힘이 있어 쇳덩어리를 당기는 것일까요? 도대체 더 힘은 무엇일까요? 그 힘을 자력이라고 하는데 磁(자석자)의 자는 도대체 무슨 힘일까요? 저 힘은 왜 있는 것일까요? 또 어떻게 생기는 것일까요?
자석은 무엇인가요?
자석은 자성을 지닌 물체로, 자연적으로는 자철석 등 일부 광석에서 발견되며 인공적으로 만들기도 합니다. 자석은 자기장을 형성하며, 자기장 내의 자기성을 가진 물체에 작용하는 힘인 자기력을 발생시킵니다. 자석의 종류는 영구자석과 전자석으로 나눌 수 있습니다. 영구자석은 항상 자력을 유지하는 반면, 전자석은 전기를 통해 자력을 조절할 수 있습니다. 영구 자석은 주로 철, 니켈, 코발트 등의 금속을 이용하여 만듭니다. 전자석은 전기가 흐르는 전선을 감은 코일에 자석을 넣어 만듭니다. 자석은 일상생활에서 다양한 용도로 활용됩니다. 예를 들어, 냉장고에 붙이는 자석, 전자제품의 모터, 발전기 등에 사용됩니다. 과학 연구에서도 중요한 역할을 하며 물리학, 화학, 생물학 등 다양한 분야에서 연구되고 있습니다.
인공적으로 자석을 만드는 방법은 무엇인가요?
먼저 금속을 여러가지 준비하여 일정한 조성비로 혼합을 합니다. 철, 니켈, 코발트 등의 금속을 혼합하여 합금은 제조하는 것입니다. 이 때, 혼합 비율과 제조 방법에 따라 자석의 강도와 성질이 달라집니다. 다음의 단계로 금속을 녹인 후 천천히 냉각시켜 결정을 성장시킵니다. 이 때, 결정의 크기와 모양에 따라 자석의 성질이 달라집니다. 천천히 냉각시켜 가면서 합금이나 결정을 원하는 형태로 가공을 합니다. 이 때, 가공 방법에 따라 자석의 강도와 내구성이 달라지기도 합니다. 이 자석에 다른 자석의 자기장을 가해서 자기력을 강화시켜 줍니다. 자기장의 강도와 방향에 따라 자석의 성질이 달라집니다. 인공적으로 만든 자석은 천연 자석에 비해 크기와 모양을 자유롭게 조절할 수 있으며, 자기력의 세기와 방향도 조절할 수 있습니다.
지구는 자석인가요?
지구는 하나의 거대한 자석으로 볼 수 있습니다. 북극과 남극이 자석의 양극으로 볼 수 있습니다. 지구가 자기장을 띄게 되는 이유는 다음의 가설로 설명하고 있습니다. 첫째 이론은 영구자석설로서 지구 내부에 자성물질 때문에 지구자기가 생긴다는 이론이지만, 지구 내부로 갈수록 온도가 높아지는데 외핵에서의 자성물질들은 퀴리온도 이상의 온도라 자성을 잃어 버리기 때문에 현재는 부정되는 이론입니다. 두번째 이론으로 다이나모 이론이 있습니다. 전기 전도도가 큰 철과 니켈로 이루어진 외핵에서 열대류가 일어나 유도 전류를 발생시키고 이 전류에 의해서 지구 자기장이 생성된다는 이론입니다. 이 이론은 지구 자기의 역전 현상을 잘 설명해주며, 현재까지 지구 자기장의 생성 원인을 설명하는 이론 중에서 가장 유력한 것으로 여겨집니다.
태양도 자석인가요?
태양은 지구와 마찬가지로 자석의 성질을 가지고 있습니다. 태양의 자기장은 태양 발전기라고 알려진 과정에 의해 생성됩니다. 이 과정은 전류를 생성하고 자기장을 생성하는 태양 내부의 하전 입자의 움직임을 포함합니다. 태양의 자지 발전기는 자기극이 반전되는 약 22년 주기로 작동합니다. 태양의 자기장은 인류에게 미치는 영향은 상당합니다. 특정 지역에서만 관찰할 수 있는 오로라를 변화시키는 역할을 할 뿐만 아니라, 통신 장애 등의 문제를 일으킬 수 있습니다.
여전히 저에게는 왜 자석이 생기게 되는지 해결되지 않은 질문입니다. 인터넷을 뒤져서 이런 저런 과학적 논리를 알게 되었음에도 명쾌하게 해결이 되지 않습니다. 가만히 생각을 해보면 당기고 밀어내는 힘이고 자성이라고 하는 것인데 그렇다면 인력이나 중력도 자성의 영역에 해당하는 것일까요? 철도차량의 견인전동기라는 장치가 있는데 이 장치가 전기를 만들어 내는 과정에서 자기장을 이용하는 과정이 있습니다. 자석으로 이루어진 철심의 가운데로 하나의 봉을 고속으로 회전시키면 전기가 생성됩니다. 이 과정과 지구의 내부에서의 용암 회전이 자기장을 형성하는 관계에서 동일한 점이 있지 않을까 하고 생각해 봅니다.