자석
[image]
1. 설명
磁石, Magnet
자성을 띤 광물. '''지남철'''(指南鐵)이라고도 한다. 주로 자철광이라 불리는 광물로 만든 자석이 대표적인데 이 자철광의 화학식은 Fe3O4(사산화삼철)이다. 자르면 또 2개의 극(N극과 S극)으로 나뉜다. 현재까지 자기 홀극은 발견되지 않았으며,[1] 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.
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.
간혹 가다 유아, 영아가 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 버릴 수 있기 때문이며 심할 경우 사망할 수도 있다. 이런 장 협착은 매년 보고될만큼 흔한 사례인데, 때문에 자석이 포함된 장난감이나 물건은 아이 곁에 둬서는 안되고, 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.
자석은 위의 사진처럼 금속 혹의 금속 산화물 형태의 자석도 있지만 자성을 띄는 분말을 고무와 혼합한 형태의 자석도 있다. 우리가 흔히 접하는 물렁물렁한 냉장고자석이 바로 이것이다. 고무 형태의 자석은 주로 전단지에 많이 사용되며 철로 만든 대문에 붙이기 쉽게 하기 위해 만들어졌다. 다만 자력은 일반 금속 자석보다 떨어진다. 이는 일반적으로 자석의 자력, 즉 외부자기장에 반응하여 자기장과 자석간의 척력을 유발하는 자력은 자석의 부피에 비례하는데, 고무형태의 자석의 경우 고무가 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 효과'''가 생기는 것은 발견되었다. 만약 자석의 두 극을 온전히 분리할 수 있다면 그 사람은 당장 노벨 물리학상을 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. 그림으로 나타내면 다음과 같다. [image] [2]
이걸 한 마디로 축약하면 다음과 같다.
$$\displaystyle \oiint_{\partial V} \mathbf{B} \boldsymbol{\cdot} {\rm d}\mathbf{a}=0$$
수식의 의미를 해석하자면, '''자기장의 근원은 없다'''는 뜻이다. 이는 귀류법[3]을 통해 간단하게 증명할 수 있다. 자기장의 근원이 되는 점이 3차원 공간 상에 존재한다고 하고, 이 점을 포함하는 공간을 $$V$$라고 하자. 인테그랄 아래의 $$\partial V$$는 이 공간의 경계면[4], 즉 겉부분을 뜻한다. 그러니까 쉽게 말하자면 $$V$$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.[5][6]
네오디뮴 자석은 지구상에 현존하는 가장 강력한 영구자석으로, 사용할 때 주의해야 한다.[7] 전기를 이용하면 그보다 강한 자기장도 얼마든지 만들어낼 수 있는데, 전자석은 전류만 충분하면 이론상 끝없이 자기력이 강해질 수 있다.[8]
전자기기 가까이에 자석을 가져가면 고장이 날 수 있으므로 주의해야 한다. 전자기기의 종류에 따라 자기력에 민감한 정도의 차이는 있지만[9] 기본적으로 자석은 전자기기와는 상극이라서 멀리하는 것이 바람직하다.
참고로 인간이 다루는 자석에 한정하지 않고, '''우주에서 가장 강력한 자석'''을 생각해 보면 중성자별의 한 종류인 '마그네타'라고 봐야 한다. 이 녀석은 무려 '''10기가테슬라'''라는 정신나간 수준의 자기장을 가지고 있는데, 이게 어느 정도냐면 '''순전히 자기장의 힘만으로 수백km 이상 떨어져 있는 사람을 말 그대로 분쇄할 수 있을 정도'''이다. 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.
위기탈출 넘버원 115회(2007년 12월 1일 방송분)에서 자석 삼킴 사고를 방영한 적이 있다.
또한 28회(2006년 2월 11일 방송분)에서는 무엇인지는 모르지만 질식 사고를 일으킬 수 있는 장난감이라고 한 것을 보면 아마도 자석으로 추정된다.
2. 자석의 종류
2.1. 고체 자석
2.1.1. 일반적인 자석
[image]
막대자석과 U자형 자석(말굽자석) 등 여러 가지 형태로 나오고 있다.
- 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 서브컬쳐에서 자석의 대표 이미지로 가장 많이 쓰인다.
- 둥근 자석 - 주로 냉장고 부착물(병따개 등)에서 볼 수 있는 둥근꼴의 자석.
- 자석볼 - 최근에는 네오큐브, 마그네틱볼 등으로 일컫어지는 구형 자석이 키덜트 장난감으로 인기있다.
2.1.2. 네오디뮴 자석
[image]
네오디뮴, 붕소, 철을 2:1:14의 비율로 소결 방식으로 합금하여 만든 영구자석이다.
자세한 것은 문서 참조.
2.1.3. 고무 자석
자석은 금속 형태의 자석도 있지만 고무 형태의 자석도 있다. 우리가 흔히 접하는 물렁물렁한 냉장고자석이 바로 이것이다. 자석 가루와 CPE수지를 섞어 만든 것으로, 고무 형태의 자석은 주로 전단지에 많이 사용되며 철로 만든 대문에 붙이기 쉽게 하기 위해 만들어졌다. 다만 자력은 일반 금속 자석보다 매우 떨어진다.
2.1.4. 지구
지구 역시 하나의 거대한 자석이라고 볼 수 있으며, 나침반은 이러한 지구자기장을 이용해 만들어진 발명품이다.
2.1.5. 중성자별
중성자별 중에서도 유달리 강력한 자기장을 가지는 마그네타(Magnetar)는 100억 테슬라 수준의 우주에서 가장 강력한 자기장을 지니고 있다. 그 자기장이 어찌나 강력한지 마그네타에 가까이 다가가면 물질을 이루는 원자들이 강력한 자기장에 의해 형태가 심하게 뒤틀리고 변형될 정도.
2.2. 전자석
연자성(Soft Magnet) 소재[10]에 도선을 코일처럼 감아놓은것. 실생활에 이용되는 자석은 거의 전자석이나 다름없다. 응용에 매우 용이하기 때문.
경자석을 실제로 써먹자니 출력도 약할뿐더러, 필요할때만 쓸수가 없다. 이에 반해서 전자석은 전류를 공급할때만 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 과학실습때 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.
2.3. 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).
스피커 등에 이용된다고 하며, 액체 자석에 약물을 넣어 자석으로 치료부위에 약을 모으는 치료법도 검토되고 있다고 한다.
그런데 최근, 자석과 같은 자기장의 영향이 없을 때도 자성을 띠는 액체가 발견되었다.
3. 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 보드게임이나 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 콤바트라 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 등의 거대 로봇 아니메가 이런 자석 로봇 완구를 앞세우고 방영되었다.
4. 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 중.
철분을 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 것은 MRI를 예로 들면 바로 알 수 있는데, MRI는 자속 밀도가 영구 자석보다 훨씬 크다. 만약 네오디뮴 자석의 자력으로 혈액이 순환된다면, MRI 촬영을 하면 피가 다리 쪽으로 쏠리거나 혈액 내부의 철분이 전부 한쪽으로 쏠려서 산소부족으로 사망하게 될 것이다.(...)
물론 자석에 붙을 수 있는 금속 나노파티클을 이용해 진단 목적으로 이용하는 방향을 생각해볼 수 있지만...
물론, 자석을 사용한 파스도 몇 있다. 그것들은 의료기기로 분류된다. 엘레키반[11]이라던지, 대일빠삐방(구 빠삐자기방)이라던지, 보원[12]에서도 그걸 만들고 있다고 한다.
5. 같이보기
[3] 틀린 명제를 가정했을 때 모순이 나오는 것을 통한 증명 방법[4] 참고로 이는 폐곡면이다[5] 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 $$\bold B$$를 $$\bold D$$로 바꾼 식(전기장에 대한 식)은 우변이 0이 아닌 $$\iiint_{V} \rho_{f}\,{\rm d}V$$이라는 근원점에 대한 식이 나온다.[6] 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.[7] 어느 정도냐면, 대형 네오디뮴 자석 2개 사이에 손가락이 끼일 경우 손가락 뼈가 말 그대로 박살이 나 버린다. 이러다보니 미국의 경우는 일정 크기 이상의 네오디뮴 자석을 다루기 위해서는 별도의 자격증이 필요하다.[8] 현존하는 가장 강력한 전자석은 45.5T라는 무시무시한 자기장을 만들어낸다.[9] 예를 들어서 하드 디스크 같은 자기 기록 매체에 자석을 가까이 가져가면 저장된 데이터가 순식간에 손상되어 버리고, 기기 자체도 망가져 버릴 수 있다. 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.[10] 이외에도 투자율이 높은 다른물질.[11] 과거에 동구약품이 생산했었다. 일본산 제품으로는 피프 에레키반으로, 동국제약이 수입 중이다.[12] 자기 발생 의료기기 제조사