흔히 '자석'하면 생각나는 말굽형태로 성형한 페라이트 자석.
1. 개요
磁 石 / magnet자성을 띤 광물. 지남철( 指 南 鐵)[1]이라고도 한다.
2. 설명
보통 철만 자석에 붙고 다른 금속이나 비금속은 자석에 붙지 않은 것으로 알려졌지만, 사실 니켈, 코발트처럼 철 외에 자석에 붙는 금속도 있다. 철로 된 물질을 자석에 접촉시키면 그 물질도 일시적으로 자석의 기능을 가진다.주로 자철광이라 불리는 광물로 만든 자석이 대표적인데 이 자철광의 화학식은 Fe3 O4(사산화삼철)이다.
자철석은 자석을 얻는 법을 떠올릴 때 흔한 예시로 들지만 이 방법으로 자석을 생산하는 것은 실용성이 떨어진다. 사산화삼철은 가공하기 위해 퀴리온도[2] 이상으로 가열하면 자성을 잃기 때문에 물리적으로 다듬어 사용해야하므로 복잡한 모양으로 성형하기 어렵다. 그리고 전근대에는 자기력에 마술적 효과가 있다 믿은 사람들 때문에 많은 수요가 있어 값이 비쌌기 때문에 이것으로 나침반을 저렴하게 만들기는 어려웠다.
그래서 중세시대에 나침반을 만들때는 자철광을 쓰기보다 자화된 연철을 작게 잘라 사용했다. 연철을 남북극방향으로 정렬하고 퀴리온도 이상으로 가열한 뒤 문지르면 지구 자기장에 의해 미약하게나마 자철광에 문지른 것과 비슷한 효과가 난다. 이렇게 만들어진 자석은 자성이 정말 미미한 수준이었기 때문에 물 위에 띄우거나 얇은 축 위에 올려 나침반으로만 쓸 수 있었다. 그외의 용도로 사용하기에는 너무 자성이 약했기에 근대 이전 자기력을 실용적으로 사용한 사례는 거의 나침반뿐이다.
자석은 같은 극끼리 밀어내고 다른 극끼리 붙는다는 것이 익히 알려져 있으며, 자석을 자르면 또 2개의 극(N극과 S극)으로 나뉜다. 현재까지 자기 홀극은 발견되지 않았으며[3], 현재까지 발견된 모든 자석은 자기 쌍극을 가진다.
고대부터 상당수의 자연철학자들과 과학자들은 자성에 대해 상당한 관심을 가졌다. 중세인들 사이에서 자석가루가 처녀성을 판별하는 데에 효험이 있다는 미신이 퍼지기도 했다. 동양의 한의학에서는 자석이 정신을 안정시키는 진정제이자 지혈 효과가 있다고 보아서, 칼에 베이거나 창에 찔려 생긴 금창 치료에 필요해 전쟁을 하기 전에 확보해 두는 물자로 여겨졌다.[4]
지구 역시 하나의 거대한 자석이라고 볼 수 있으며, 나침반은 이러한 지구자기장을 이용해 만들어진 발명품이다.
미니어처 게임 말의 교환 가능 파트에 자석을 박아 특정 파트를 쉽게 교체할 수 있게 하는 개조를 자석질이라 부른다.
자석은 크기가 작고 동글동글해서 간혹 가다 영유아가 호기심에 입에 넣었다 삼키기도 해서 위험하다. 만약 영유아가 두 개 이상의 자석을 삼켰다면 바로 병원에 가야 한다. 장 내부에서 장벽을 사이에 두고 자석끼리 붙어버리면 가운데에 낀 장벽이 괴사하면서 장출혈 등이 일어나거나, 네오디뮴 자석과 같이 자력이 강한 자석의 경우 아예 장에 구멍이 뚫려 장천공이 발생하기 때문이며 심할 경우 사망할 수도 있다. 이런 장 협착은 매년 보고될만큼 흔한 사례인데, 때문에 자석이 포함된 장난감이나 물건은 아이 곁에 둬서는 안되고[5], 해당 상황이 발생하면 치료 기간이 꽤 오래 걸리므로 무조건 병원에 가서 자석을 제거해야 한다. 물론 자석을 하나만 삼켰다 하더라도 이물질을 삼킨 것은 충분히 위험한 상황이니 바로 병원에 가는 것이 맞다. 위기탈출 넘버원 115회(2007년 12월 1일 방송분)에서 자석 삼킴 사고를 방영한 적이 있다.
자석은 위의 사진처럼 금속 혹의 금속 산화물(페라이트) 형태의 자석도 있지만 금속 산화물 분말을 CPE수지와 혼합한 형태의 자석도 있다. 우리가 흔히 접하는 물렁물렁한 냉장고자석이 바로 이것이다. 고무 자석이라 부르는 이 자석은 주로 전단지에 많이 사용되며 철로 만든 대문에 붙이기 쉽게 하기 위해 만들어졌다. 자력은 다른 자석보다 떨어진다. 이는 일반적으로 자석의 자력, 즉 외부자기장에 반응하여 자기장과 자석간의 척력을 유발하는 자력은 자석의 부피에 비례하는데, 이런 말랑한 자석의 경우 수지가 혼합된 만큼 자성을 띄는 자성체의 분율이 줄어들기 때문이다.
상술했듯이 자석은 자르면 각각의 N/S극이 다시 생기기 때문에 잘린 두 자석의 단면을 마주 대어 보면 서로 붙는 것을 볼 수 있으며, 그래서 이론상 자석의 두 극을 분리하는 것은 불가능하다. 그래도 한 극만 존재하는 것과 같은 효과가 생기는 것은 발견되었다. 만약 자석의 두 극을 온전히 분리할 수 있다면 그 사람은 당장 노벨물리학상을 수상할 수 있을 것이다. 왜냐하면 우리가 친숙하게 다루는 위의 예시 사진으로 제시 된 자석 같은 것들은, 쉽게 말하면 주로 매우 작은 자석 알갱이들로 이루어져있고, 그들이 모두 같은 방향을 향하고 있으니 자르기 이전에 이미 N극과 S극이 나뉘어져 있으며, 그걸 자르는 걸로 N/S극이 나타나는 것 같은 현상이 일어난다는게 보통이다. 그래도 우주가 처음 만들어질 때는 N극과 S극이 분리된 자석도 존재했을 수도 있다고 한다. 이렇게 극이 분리된 자석을 자기 홀극이라고 한다. 그림으로 나타내면 다음과 같다.
이걸 한 마디로 축약하면 다음과 같다.
[math(\displaystyle \oiint_{\partial V} \mathbf{B} \boldsymbol{\cdot} {\rm d}\mathbf{a}=0)]
수식의 의미를 해석하자면, 자기장의 근원은 없다는 뜻이다. 이는 귀류법을 통해 간단하게 증명할 수 있다. 자기장의 근원이 되는 점이 3차원 공간 상에 존재한다고 하고, 이 점을 포함하는 공간을 [math(V)]라고 하자. 인테그랄 아래의 [math(\partial V)]는 이 공간의 경계면[7], 즉 겉부분을 뜻한다. 그러니까 쉽게 말하자면 [math(V)]의 겉면 상에서 적분을 하겠다는 건데 인테그랄 안의 식은 잘 보면 각 면적소에서의 자기력 선속(magnetic flux)을 뜻한다. 이걸 다 합친(=적분한) 게 0이라는 건 근원점을 포함하는 공간을 통해 나가는 자기장이 0이라는 뜻이고, 이는 근원점의 정의에 모순된다.[8][9]
네오디뮴 자석은 지구상에 현존하는 가장 강력한 영구자석으로, 네오디뮴, 붕소, 철을 2:1:14의 비율로 소결 방식으로 합금하여 만든 영구자석이다. 매우 자성이 강하므로 사용할 때 주의해야 한다. 어느 정도냐면, 대형 네오디뮴 자석 2개 사이에 손가락이 끼일 경우 손가락 뼈가 말 그대로 박살이 나버린다. 이러다보니 미국의 경우는 일정 크기 이상의 네오디뮴 자석을 다루기 위해서는 별도의 자격증이 필요하다.
전기를 이용하면 그보다 강한 자기장도 얼마든지 만들어낼 수 있는데, 전자석은 전류만 충분하면 이론상 끝없이 자기력이 강해질 수 있다. 현존하는 가장 강력한 전자석은 45.5T라는 무시무시한 자기장을 만들어낸다. 참고로 자석 자체는 일종의 돌멩이고, 도체가 아니라서 전기가 통하지 않는다.
전자기기 가까이에 자석을 가져가면 고장이 날 수 있으므로 주의해야 한다. 전자기기의 종류에 따라 자기력에 민감한 정도의 차이는 있지만 기본적으로 자석은 전자기기와는 상극이라서 멀리하는 것이 바람직하다. 예를 들어서 하드 디스크 같은 자기 기록 매체에 자석을 가까이 가져가면 저장된 데이터가 순식간에 손상되어 버리고, 기기 자체도 망가져 버릴 수 있다.[10]
참고로 인간이 다루는 자석에 한정하지 않고, 우주에서 가장 강력한 자석은 중성자별의 한 종류인 '마그네타'라고 봐야 한다. 이 녀석은 무려 10기가테슬라라는 정신나간 수준의 자기장을 가지고 있는데, 순전히 자기장의 힘만으로 수백km 이상 떨어져 있는 사람을 분쇄할 수 있을 정도이다. 이는 너무 강력한 자기력 때문에 원자가 제 모양을 유지하지 못하고 찌그러지면서 분자 결합까지 모조리 깨져 버리기 때문이다. 쉽게 말하면 마그네타에 가까이 다가가면 원자 단위로 갈기갈기 찢겨 버린다고 생각하면 된다.
여담으로, 막대 페라이트 자석의 경우 낱개로 보관하게 되면 제조된 이후 시간이 지나 자력이 약해지기 때문에 반드시 여러개를 서로 붙여놓아야만 한다.
3. 자석의 종류
3.1. 영구자석
3.1.1. 금속자석
- 크롬-철 합금
- 텅스텐-철 합금
- 알니코 합금
- 사마륨-코발트합금
- 네오디뮴 합금: 일본의 스미토모 특수금속(Sumitomo Metal Industries社(교토시 니시쿄구)의 사가와 마사토 사장이 1982년에 발명한 이후 여러 회사에서 생산중인 세계 최강의 영구 자석.
3.1.2. 금속산화물자석(페라이트 자석)
- 자철광(천연 페라이트 자석)
- 페라이트 자석: 1930년대 일본 제국 도쿄 공대의 가토 요고로, 타케이 타케시 박사에 의해 발명되었다. 실용화되지는 못했지만 이전까지 인공 자석은 합금(금속)으로만 만들 수 있다는 편견을 깬 발명으로, 이후 금속산화물을 기반으로 한 자석이 상용화되는데 크게 이바지했다. 저 둘은 일본의 자석 전문 기업 TDK를 세웠고 오늘날까지 세계 산업용 자석의 주요 생산기업으로 남아있다.
페라이트 자석은 세계 자석 생산의 9할을 차지하며 특히 모터 생산의 주 원료로서 중요한 원자재이다. 금속 자석들은 대부분 코발트를 원료로 하기 때문에 코발트 주요 산지인 콩고에 난리가 나면 값이 널뛰기를 한다는 문제가 있다. 그리고 콩고는 항상 난장판(...)이기 때문에 코발트 수급은 늘 불안정하다. 페라이트 자석은 코발트를 필요로하지 않기 때문에 희토류 수급 문제에서 자유로우며 안정적으로 모터 생산에 이용할 수 있다는 점에서 가치가 있다.
3.1.2.1. 페라이트자석의 성형 형태
페라이트 자석은 가루형태로 생산되기에 성형이 쉬워 다양한 형태로 가공되어 유통된다. 냉장고에 붙이는 용도의 페라이트 자석은 자성을 극대화하기 위해 극성이 할바흐 배열로 배치되어 있어 나침반으로 쓰기 부적합하다.- 막대자석 - 가장 흔히 볼 수 있는 자석으로, 네모 모양의 모난 막대자석과 원기둥 모양의 둥근 막대자석이 있다.
- U자형 자석 - 흔히 말굽자석으로도 불린다. 막대자석과 함께 교보재용으로 가장 많이 쓰이는 자석으로, 만화나 게임 등의 서브컬처에서 자석의 대표 이미지로 가장 많이 쓰인다.
- 둥근 자석 - 주로 냉장고 부착물(병따개 등)에서 볼 수 있는 둥근꼴의 자석. 얇고 납작한 단추처럼 생긴것도 있다.
- 자석볼 - 최근에는 네오큐브, 마그네틱볼 등으로 일컫어지는 구형 자석이 키덜트 장난감으로 인기있다.
- 액체 자석 - 유체 속에 미세한 자성체 가루를 넣어서, 유동성을 가미한 자석의 한 종류이다. 자석을 가져다 댔을 때, 자석의 세기와 자석과의 거리에 따라 뾰족뾰족한 모양에 변화가 생긴다(자기력선 등을 보는 실험에 자주 쓰인다). 일부 스피커에 이용되며, 액체 자석에 약물을 넣어 자석으로 치료부위에 약을 모으는 치료법도 검토되고 있다고 한다. 자석과 같은 자기장의 영향이 없을 때도 자성을 띠는 액체가 발견된 바있다.
3.2. 전자석
연자성(Soft Magnet) 소재[11]에 도선을 코일처럼 감아놓은 것. 실생활에 이용되는 자석은 모터의 영구자석 등 일부를 제외하곤 거의 전자석이다. 응용에 매우 용이하기 때문.영구자석을 실제로 써먹자니 산업용 수요에 비해 출력도 약할 뿐더러 원할 때만 자성을 띄게 할 수가 없었다. 이에 반해서 전자석은 전류를 공급할 때만 자석의 효과가 나오고 전류를 끊어버리면 그냥 쇳덩어리이므로 훨씬 쓰기 편하다. 일반적으로 쇠 자체는 자기를 한번 띄면 계속 자력을 유지하려 하므로 열가공을 하여 자성을 없앤 다음 쓴다. 초등학교 과학실습 때 쇠못을 달군 다음 전자석을 만드는 것도 이런 이치.
자성의 세기도 전류를 통해 조절가능하다. 이 때에 자성을 만드는데 쓰이는 전류를 여자전류라 한다. 여자전류에서 여자는 힘쓸 려(勵)에 자석 자(磁)를 쓴다. 즉, 자력이 되는 전류라는 뜻이며 폐차장이나 고철 모으는 데서 쓰인다.
4. 자석 완구
상술한 위험성 때문에 오늘날엔 어린이용 완구에 강력한 자석을 사용하는 경우는 거의 없어졌지만, 집적회로의 발달 전에는 (즉 대략 1990년대 이전) 자석을 이용한 완구가 매우 많았다. 자석의 인력(결합력)을 이용한 휴대용 보드 게임이나 조립 세트는 물론 자석의 척력(반발력)을 부양력으로 이용하는 완구도 있었다.특히 로봇 완구는 자석으로 부품을 탈착하는 기능이 포함된 것들이 많았으며, “초전자 로봇”이란 별명을 가진 컴배틀러 V, 볼테스 V의 경우 자력으로 여러 대의 탈것들이 결합해 거대한 인간형 로봇이 된다는 설정을 완구로 구현해 인기를 끌기도 했다. 인간형 로봇의 팔다리가 몸통에 자석으로 연결되어 이를 다른 부품(날개, 무기 등)으로 바꿔 다는 완구는 매우 많아서, 강철 지그, 마그네로보 가킨, 고왓파 5 고담, 초인전대 바라타크, 미크로맨, 큐빅스 등의 거대 로봇 만화가 이런 자석 로봇 완구를 앞세우고 방영되었다.
현재는 옛날처럼 강력한 자석은 쓰지 않지만, 자석을 이용한 완구는 아직도 꽤 있다. 2000년대에는 자석이 들어간 카드를 이용하여 팝업하는 바쿠간 시리즈, 터닝메카드가 방영되었다.
5. 자석 치료법
자석 치료법, 자석 치유법 등으로 불리는 대체의학의 한 종류. 관련기사 다른 대체의학들과 마찬가지로 만병통치가 가능하다고 주장하나 별다른 근거는 없다. 심지어 케이블 TV에서도 버젓이 방송되는 중철분을 끌어당겨서 혈액순환이 잘된다고 하는데. 그 말대로라면 자석이 있는 방향으로 철분이 쏠려서 혈액순환이 더 안된다. 사실 애초에 산화철(3산화2철=Fe2O3)은 자석에 붙지도 않는다.
사실 말도 안 되는 소리란 것을 MRI를 예로 들면 바로 알 수 있는데, MRI는 자속 밀도가 영구 자석과는 비교할 수 없을 정도로 훨씬 크다.[12] 만약 네오디뮴 자석의 자력으로 혈액이 순환된다면, MRI 촬영을 하면 피가 다리 쪽으로 쏠리거나 혈액 내부의 철분이 전부 한쪽으로 쏠려서 산소부족으로 사망하게 될 것이다.
물론, 자석을 사용한 파스도 몇 있다. 그것들은 의료기기로 분류된다. 엘레키반[13]이라던지, 대일빠삐방(구 빠삐자기방)이라던지, 보원[14]에서도 그걸 만들고 있다고 한다.
6. 게임에서의 자석
게임에서는 맵 내의 아이템을 끌어당겨서 점수를 높이거나 재화를 모으는 데에 도움을 준다. 자력의 강도가 천차만별이라서 자력이 약한 경우에는 플레이어와 매우 가까운 곳에 있는 아이템만 끌려오고, 강한 경우에는 화면 밖에 있는 아이템들까지도 끌려온다. 자석이 많이 등장하는 게임은 쿠키런 시리즈가 대표적이다.7. 같이보기
[1]
남쪽을 가르키는 쇳덩이.
[2]
광물에 따라 다르지만 대개 섭씨 550도 정도다.
[3]
자기 홀극이 현실에 존재할 수 있는지 없는지조차 아직 확실하지 않다고 하며, 지금 이 순간에도 자기 홀극의 존재를 증명하거나 (혹은 실존할 수 없음을 증명하거나) 직접 발견하기 위한 과학자들의 노력이 지속되고 있다. 물론 아직까지 이렇다할 성과는 없다고 한다.
[4]
이현숙, 7세기 신라 통일전쟁과 전염병, 역사와 현실 47, 2003,pp.140~141
[5]
식품을 제외하면 장난감 다음으로 많이 먹는것이 냉장고에 붙은 자석이기에 아이 손에 닿지않는 높은 곳에 붙혀야 한다.
[6]
N극에서 S극으로 가는게 자기장이지만, 내부에서는 S극에서 N극으로 이어지는, 외부와 내부를 연결해서 볼 때 끊어지지 않는 형태의 자기력선이 된다. 그래서 위 예시의 자기력선은 S극에서 N극으로 향하듯이 표현.
[7]
참고로 이는 폐곡면이다.
[8]
어떤 점이 자기력의 근원점이 되려면 그 점으로부터 모든 자기장이 나와야 하고 이 말은 그 점을 둘러싼 임의의 3차원 공간에서 저 면적분을 한 값이 0이 아니라는 것과 동치이다. 실제로 [math(\bold B)]를 [math(\bold D)]로 바꾼 식(전기장에 대한 식)은 우변이 0이 아닌 [math(\iiint_{V} \rho_{f}\,{\rm d}V)]이라는 근원점에 대한 식이 나온다.
[9]
더 쉽게 해설하자면 N극만 있거나 S극만이 있는 자석, 즉 자기홀극은 존재하지 않는다는 뜻이다. 동시에 어떤 공간이던 나가는 자기력선의 수와 들어오는 자기력선의 수가 같다고 설명할 수도 있다.
[10]
반면 같은 저장 기기라 하더라도
플래시 메모리의 경우 상대적으로 자기장을 잘 버티는 편이다. 핸드폰 커버 중에 자석으로 된 잠금장치가 달려있는 제품이 출시될 수 있었던 것은 이 때문.
[11]
이외에도 투자율이 높은 다른 물질.
[12]
MRI의 자속밀도는 테슬라 단위이다. 물론 그 MRI 내부 대부분을 채우고 있는 게 강자성의 영구자석이기는 하다.
[13]
과거에 동구약품이 생산했었다. 일본산 제품으로는 피프 에레키반으로, 동국제약이 수입 중이다.
[14]
자기 발생 의료기기 제조사