자석이 붙는 까닭은 무엇이며 원리가 궁금합니다.
안녕하십니까.
우리가 살면서 여러 물질을 보는데 그중에 신기한 자석 같은 경우
왜 물체에 붙으며 같은 극끼리 밀어내는 원리가 궁금합니다.
안녕하세요.
자석이 다른 자석이나 자성을 띠는 물질에 작용하는 원리는 주로 자기장(magnetic field)의 존재와 그 상호작용에 기반합니다. 자석은 자기 모멘트(magnetic moment)를 가진 전자의 스핀(spin)과 궤도 운동에 의해 생성된 자기장으로 둘러싸여 있습니다. 이 자기장은 자석의 북극에서 시작하여 남극으로 향하는 선들로 시각화될 수 있으며, 이 선들은 자석의 자기 플럭스(magnetic flux)를 나타냅니다.
자석의 기본적인 상호작용은 동종 극 배척(law of like poles repelling)과 이종 극 인력(law of opposite poles attracting)과 같은 근본적인 자성 원리에 의해 설명될 수 있습니다. 동종 극 배척은 자석의 같은 극(N극과 N극 or S극과 S극)은 서로를 밀어냅니다. 이 현상은 자기장의 벡터(vector)가 반대 방향으로 배열되어 상호 간에힘의 균형을 이루지 못하고, 결과적으로 서로 밀어내는 힘을 생성하기 때문입니다. 반면, 이종 극 인력은 반대로 자석의 서로 다른 극(N극과 S극)은 서로를 끌어당깁니다. 이 경우 자기장의 벡터가 서로를 향해 배열되어, 서로를 당기는힘을 발생시킵니다.
현대의 응용에서 자석은 광범위하게 활용됩니다. 예컨데, 전기 모터(electric motors), 발전기(generators), 하드 드라이브(hard drives), 스피커(speakers) 및 다양한 센서 등이 자석의 이러한 성질을 이용하여 작동합니다. 또한, 의료 분야에서는 자기 공명 영상(Magnetic Resonance Imaging ; MRI) 기술에 자석이 필수적으로 사용되어 인체의 상세한 이미지를 생성하는 데 기여합니다.안녕하세요. 곽지윤 전문가입니다.
자석은 정말 어릴때부터 접하고 같은 극끼리는 밀어내고 다른 극끼리는 끌어당긴다는 정말 단순화한 결과만 받이들이고 넘어가게됩니다. 하지만 이 원리를 정확하게 설명하기 위해서는 많는 사전 정보들이 필요합니다.
기본적으로는 전하라는 개념을 알아야하고 자기장과 전하의 움직이는 방향에 따라 생기는 힘을 설명하는 로렌츠의 법칙을 알아야하고, 자석이란 물질의 특성을 알기 위해 쌍극자모멘트라는 개념까지 알아야 설명을 할 수 있습니다.
한번의 답변으로 모든것을 설명드리기는 힘들기에 간략화하고 단순화해서 답변을 드려보도록 하겠습니다.
원자 주위에는 전자들이 회전을 하고 있습니다. 일반적인 물질들은 이 전자들의 회전 방향이 무작위이기 때문에 아무런 자기장을 만들지 않습니다. 그러나 자석은 이 전자들의 회전 방향이 일정해서 자기장을 만들어내는 물질들을 뜻합니다.
자기장 내에서 전자가 움직이는 방향에 따라 힘을 받는 방향이 정해지는데 같은 극끼리 바라보면 내 전기장에 의해 상대편 전자가 밀려나는 방향으로 힘을 받게됩니다. 이 힘의 방향은 로렌츠 법칙으로 설명이 가능합니다.
사실 리차드 파인만이라는 걸출한 물리학자가 일반인에게 같은 질문을 받은적이 있으나 사전 지식이 없으면 설명해도 의미가 없다라고 답변을 거부한 일화가 있는 어려운 문제입니다.
글로 설명을 듣기보다는 주변에 적당한 지인이 있다면 구두로 설명을 듣는 것을 추천드립니다.
감사합니다.