자성

자성

자성에는 전류가 흐르는 물체나 자성 물체가 힘을 받는 영역을 나타내는 자기장과 자기장에 의해서 생기는 여러 가지의 효과가 포함되어 있다.

물질의 자기적인 성질은 대개 원자의 핵 주위를 회전하는 음전하를 띤 전자의 거동에 의해서 결정된다. 궤도전자 하나의 자기 쌍극자 모멘트는 2개의 성분을 가지고 있다. 하나는 전자 자신의 축에 대한 스핀(spin)에 의해서 생기는 것이며 나머지 하나는 전자가 핵 주위를 운동하는 것에 의해서 생기는 것이다.

이 2가지의 운동을 미세한 전류(전하의 운동)로 생각할 수 있으므로 전기와 자기를 근본적인 수준에서 상호관련지을 수 있다. 대개의 원자와 분자에서 궤도전자의 자기 모멘트의 총합은 0이 되는데 이와 같은 물질이 자기장 내에 놓이게 되면 자기장과 전자의 상호작용에 의해서 미세한 자기 모멘트가 유발된다. 이때 유도되는 자기 모멘트는 가해진 자기장의 방향과는 반대방향을 갖게 되며, 이와 같은 효과를 나타내는 물질을 반자성체(反磁性體)라고 부른다.

어떤 물질에서는 각 원자가 완전히 채워지지 않은 전자 껍질을 가져서 순 자기 모멘트를 가지게 된다. 이들은 평상시에는 대개 불규칙적으로 배열이 되어 있는데 자기장이 가해지면 정렬하여 순 자성을 나타내며 이와 같은 물질을 상자성체(常磁性體)라고 한다. 규칙적인 구조를 갖는 결정 물질 중의 일부인 철·니켈·코발트와 같은 물질에서는 인접해 있는 원자의 궤도전자 중의 일부의 스핀이 상호 연관되어 있어서 어느 한 방향의 자성을 가지는 국소적인 자기 구역을 형성하게 된다.

그런데 인접해 있는 자기 구역이 서로 다른 방향으로 자화되어 있으므로 전체적으로 보면 자성을 갖지 않게 된다. 이때 외부로부터 자기장이 가해지면 자기장과 같은 방향으로 정렬하는 자기 구역의 개수가 증가하게 되어 매우 강력한 영구 자성이 나타나게 되며, 이와 같은 성질을 갖는 물질을 강자성체(强磁性體)라고 한다. 반강자성(反强磁性)과 준강자성(準强磁性) 같은 현상도 이와 연관 있는 현상이다.

이동하는 전자는 자기장에 의해서 힘을 받게 된다.

이와 같은 현상의 실례로는 음극선관에서 일어나는 전자의 편향 반도체나 금속체에서 볼 수 있는 홀 효과, 전류가 흐르는 도체에 작용하는 힘 등을 들 수 있다. 도체가 자기장 내에서 움직일 때는 이것과 반대의 현상이 일어나는데 이때는 전자가 기전력(起電力)을 받게 되어 전류가 도체 내에 흐른다.

검은 빛깔의 금속성 광물인 자철광(磁鐵鑛)은 화성암(火成岩)층에서 발견되는 일종의 산화철인데 고대의 그리스인에게도 알려져 있었다.

이를 나침반과 같은 분야에 실제적으로 응용한 것은 중국인들에 의해서 BC 26세기에 이미 이루어진 것으로 추정된다. 자성에 대한 최초의 심도 있는 연구는 1260년대 후반에 페트루스 페레그리누스 데 마하른쿠리아에 의해서 이루어졌다. 그는 자기극이 존재함을 확인했으며 같은 극 사이에는 척력이 작용하며 서로 다른 극 사이에서는 인력이 작용함을 밝혔으며 나침반의 제작법에 대해서도 상세히 기술했다.

엘리자베스 1세 여왕의 내과의사였던 윌리엄 길버트는 지구를 거대한 자석으로 가정하여 북반구에서 자침의 북극이 약간 아래쪽을 가리키는 것을 설명했다. 자극 사이에 작용하는 힘에 대해서는 프랑스의 물리학자인 샤를 오커스탱 드 쿨롱에 의해서 1785년에 최초로 실험적으로 연구되었으며 역제곱 법칙을 따른다는 것으로 밝혀졌다(쿨롱의 발견은 영국의 물리학자 조지프 프리스틀리가 몇 해 전에 알아낸 사실을 검증한 것임). 1824년에는 프랑스의 수학자인 시메옹 드니 푸아송이 자성에 대한 수학적인 모델을 제시했으며 이로써 영구자석 사이에 작용하는 힘을 계산할 수 있는 기반이 확고하게 다져졌다.

전기와 자기의 상호관련성은 오랫동안 불확실한 상태로 놓여 있었는데 1820년에 네덜란드의 물리학자인 한스 크리스티나 외르스데드에 의해서 전류가 전선에 흐를 때 자기장이 형성됨이 밝혀졌다.

프랑스의 앙드레 마리 앙페르는 즉시 외르스데드의 실험을 반복했으며, 몇 주가 지나지 않아서 전류가 흐르는 도체 사이에 작용하는 힘을 간단하면서 우아한 수학적인 형태로 서술할 수 있게 되었다. 그는 또한 전류가 전선의 고리에 흐를 때 멀리 떨어진 곳에서는 소형의 영구자석과 같은 자기 쌍극자가 형성됨을 보였다. 이와 같은 사실에 의해 앙페르는 자성이 분자수준에서 흐르는 전류에 의해서 형성된다고 제안했는데 이것은 자성에 대한 현재의 개념과 놀랍도록 유사한 것이다(전자기력).

영국의 화학자이며 물리학자인 마이클 패러데이는 1821년에 자기장 내에 있는 도체에 전류가 흐를 때 도체에 힘이 작용하는 '모터 작용'을 보였으며, 1831년에는 자기장 내에서 도체가 이동할 때 전류가 유도되는 현상인 다이너모 효과(발전기 효과)를 보였다.

또한 1845년에는 자기장이라는 용어를 고안했다(패러데이). 전자석은 코일에 흐르는 전류를 흘려서 형성되는 자기장을 철심을 이용하여 증가시킨 것으로 영국의 윌리엄 스터전에 의해서 1820년대 중반에 발명되었다. 이것은 훗날 모터와 발전기의 핵심적인 부품이 되었다. 전기와 자기현상을 수학적인 완전한 형태로 통합하는 것은 스코틀랜드의 물리학자인 제임스 클럭 맥스웰에 의해서 이루어졌다.

1864년에 발간된 맥스웰의 장방정식에 의해서 전자기파의 존재가 예견되었으며, 독일의 하인리히 헤르츠에 의해서 검증이 되었는데 그는 빛도 전자기파의 일종임을 증명했다. 오늘날 자기가 이용되는 응용분야는 문의 잠금장치와 같은 간단한 것에서부터 의료용 화상장비나 고에너지 입자가속기 등에서 사용되는 기구에 이르기까지 다양하다.