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전자석의 자성과 정보 저장 - 앙페르법칙, 패러데이법칙 본문

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전자석의 자성과 정보 저장 - 앙페르법칙, 패러데이법칙

키스 키스세븐 2017.09.03 02:12

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[전자석의 자성과 정보 저장 - 앙페르법칙, 패러데이법칙]

자석은 참 신기한 물질입니다. 자석을 이용하면 전기를 만들 수도 있고, 반대로 전기를 이용해서 자석을 만들 수도 있습니다. 이것을 이용하는 것이 교통카드와 하드디스크이며, 우리는 매일 이것을 사용하고 있습니다. 이제, 전자석의 성질을 어떻게 이용하면 되는지 그 원리를 알아봅니다. 




[글의 순서]

1. 사실은 세상의 모든 것이 자석이다

2. 자성, 자기장, 자화라는 단어

3. 앙페르법칙과 패러데이법칙




사실은 세상의 모든 것이 자석이다


우리가 매일 사용하는 마그네틱카드와 컴퓨터 하드디스크는 자석의 성질을 이용하는 것입니다. 물질을 전자석에 반응하게 해서 정보를 기록하고 읽어냅니다. 

그런데 어떤 물질은 자석에 반응하고, 어떤 것은 특수한 경우에만 반응하며, 또 어떤 것은 아예 반응하지 않습니다. 하지만 이 모든 것이 결국은 자석의 성질 때문이므로 세상의 모든 것은 자석이라고 할 수 있습니다. 


사진: 교통카드 등의 마그네틱 카드와 컴퓨터의 하드디스크 등은 자석의 성질인 자성을 이용해서 저장하고 읽어낸다. 그것은 인위적으로 만들어낸 전자석이다. [사실은 세상의 모든 것이 자석이다](사진: 교통카드 등의 마그네틱 카드와 컴퓨터의 하드디스크 등은 자석의 성질인 자성을 이용해서 저장하고 읽어낸다. 그것은 인위적으로 만들어낸 전자석이다. [사실은 세상의 모든 것이 자석이다] / ⓒ Gulielmus)


항상 반응하는 철, 니켈, 코발트는 '강자성체'라고 부릅니다. 강자성체란 "항상 자석에 붙은 것"이라고 이해하면 쉽습니다. 이것들은 자석을 만나면 원자가 항상 같은 방향으로 향하기 때문에 자석의 성질이 생기는 것입니다. 즉, 원자방향이 일정해지면 '자성체'라고 할 수 있는 것입니다. 

문지르면 마찰력이 생기는 종이, 알루미늄, 마그네슘 등은 '상자성체'라고 부릅니다. 상자성체란 "자성이 약해서 어떤 경우에만 붙는 것"이라고 이해하면 쉽습니다. 이런 것들은 마찰을 주거나 자기력을 주었을 때만 자석처럼 되므로 약한 자성체로 분류됩니다. 


사진: 모든 물체에 자성이 있지만 원자의 방향이 일정하게 잘 바뀌는 것이 강자성체이다. 정보의 저장은 이 강자성체를 이용한다. [사실은 세상의 모든 것이 자석이다](사진: 모든 물체에 자성이 있지만 원자의 방향이 일정하게 잘 바뀌는 것이 강자성체이다. 정보의 저장은 이 강자성체를 이용한다. [사실은 세상의 모든 것이 자석이다] / ⓒ www.kiss7.kr)


반면 플라스틱, 유리, 구리, 물은 '반자성체'라고 부릅니다. 반자성체란 "반대의 자석 성질이라서 안 붙는 것"이라고 이해하면 쉽습니다. 이것들은 자석을 만나도 원자들이 반대방향을 향하거나 제멋대로 향합니다. 그러니까 자석을 밀어내거나 자석의 힘이 상쇄돼서 붙지 않습니다. 결국 이것도 자석의 성질이니 세상의 모든 것은 자석이라고 할 수 있는 것입니다. 


사진: 자성이란 결국 원자의 방향이 일정해지는 것이다. 같은 방향을 향하면 붙게 되고, 다른 방향을 향하거나 방향이 섞이면 붙지 않는다. [사실은 세상의 모든 것이 자석이다](사진: 자성이란 결국 원자의 방향이 일정해지는 것이다. 같은 방향을 향하면 붙게 되고, 다른 방향을 향하거나 방향이 섞이면 붙지 않는다. [사실은 세상의 모든 것이 자석이다] / ⓒ www.kiss7.kr)


 "상쇄된다"는 말은 힘이 서로 섞여서 결국은 없는 것과 같은 상태라는 뜻입니다. 그런데 세상의 모든 것은 자석이면서도 자석이 아닌 것처럼 느껴집니다. 이것은 자성의 방향이 제 멋대로라서 자성의 힘이 서로 상쇄되어 있기 때문입니다. 

예를 들어, 어떤 물체를 왼쪽으로 100의 힘으로 당기고, 오른쪽으로 100의 힘으로 당기면 결국 움직이지 않으므로 힘이 작용하지 않은 것과 같습니다. 


사진: 사실 모든 물질은 자성체이다. 원자 자체가 회전으로 인하여 자성의 성질을 가지고 있기 때문이다. 하지만 전자들이 서로 다른 방향으로 돌면 원자의 자성은 상쇄되어 버린다. [사실은 세상의 모든 것이 자석이다](사진: 사실 모든 물질은 자성체이다. 원자 자체가 회전으로 인하여 자성의 성질을 가지고 있기 때문이다. 하지만 전자들이 서로 다른 방향으로 돌면 원자의 자성은 상쇄되어 버린다. [사실은 세상의 모든 것이 자석이다] / ⓒ Clker-Free-Vector / www.kiss7.kr 편집)


우주를 구성하는 모든 원자들도 사실은 자석입니다. 자석의 성질은 회전할 때에도 생깁니다. 태양과 지구가 도는 것처럼 원자핵과 전자도 돕니다. 전자도 지구처럼 원자핵을 공전하고 스스로 자전도 합니다. 이처럼 공전하는 것을 '궤도운동'이라고 하고 자전하는 것을 '스핀(spin: 돌다)'이라고 합니다. 그래서 원자도 자석의 성질이 있습니다. 

결론적으로, 세상의 모든 물질은 원자 때문에 기본적인 자성을 가지고 있고, 원자가 같은 방향을 향해서 자성이 강하면 강자성체라고 부를 뿐입니다. 





자성, 자기장, 자화라는 단어


이제는 세상의 물질 중에서도 강자성체를 이용하는 원리를 알아봅시다. 우선, 단어에 친숙해져야 이해가 잘 되니, 단어들을 잘 읽어 두길 바랍니다. '자성'이란 단어를 만나면 "자석 같은 성질"이라고 이해하면 쉽습니다. 

그리고 자성이 생겼다는 말은 "원자들이 일정한 방향으로 향했다"고 이해하면 됩니다. 그래서 '자화'라는 말도 생기는데, 그저 "자석처럼 되었다"는 말일 뿐입니다. 


사진: 전자석과 전류에 의한 자성의 정보 저장 원리를 이해하려면 자성, 자화 등의 단어의 뜻을 먼저 기억하는 것이 좋다. 대부분 단어 자체가 익숙치 않아서 이해하기 어려워 한다. [자성, 자기장, 자화라는 단어](사진: 전자석과 전류에 의한 자성의 정보 저장 원리를 이해하려면 자성, 자화 등의 단어의 뜻을 먼저 기억하는 것이 좋다. 대부분 단어 자체가 익숙치 않아서 이해하기 어려워 한다. [자성, 자기장, 자화라는 단어] / ⓒ Gerd Altmann / www.kiss7.kr 편집)


자성이 없는 것도 자화되게 만들 수가 있는데, 회전이나 전기를 통해서 원자의 방향을 일정하게 만들었다는 얘기입니다. 그래서 이렇게 일정한 방향의 원자들을 '자기 구역', 즉 "한 방향이 된 원자들"이라고 부릅니다. 

그리고 보통 그 방향을 화살표로 표현하며, 화살표가 향하는 곳을 "N극"이라고 부릅니다. 


사진: 자기구역이란 사실은 구역을 뜻하는 것이 아니라 원자의 집단을 얘기하는 것이다. 자기구역의 원자들을 자화되었다고 부른다는 것도 알아둔다. [자성, 자기장, 자화라는 단어](사진: 자기구역이란 사실은 구역을 뜻하는 것이 아니라 원자의 집단을 얘기하는 것이다. 자기구역의 원자들을 자화되었다고 부른다는 것도 알아둔다. [자성, 자기장, 자화라는 단어] / ⓒ www.kiss7.kr)


자성이 생기면, 즉 자석처럼 되면 주변에는 자석의 영향을 받는 공간이 생깁니다. 실제로 자석도 멀리 놓으면 쇠가 붙지 않습니다. 이런 공간을 '자기장'이라고 부르는데, "자석 같은 현상이 생기는 범위"라고 생각하면 됩니다. 

자기장에 선을 그어서 화살표를 그리면 이것이 '자기력선'입니다. N극에서 S극으로 연결되는데 절대로 끊기지 않고, 화살표가 많을수록(밀도) 자기장이 쎈 것입니다. 

 

사진: 자기력선이란 인위적으로 사람이 그려 놓은 선이다. 자기장의 세기와 방향을 알기 위한 것인데, N극에서 S극으로 향한다. 극부분에서는 밀도도 높다. [자성, 자기장, 자화라는 단어](사진: 자기력선이란 인위적으로 사람이 그려 놓은 선이다. 자기장의 세기와 방향을 알기 위한 것인데, N극에서 S극으로 향한다. 극부분에서는 밀도도 높다. [자성, 자기장, 자화라는 단어] / ⓒ Наталия Сенчина / www.kiss7.kr 편집)


정리를 하자면, 자석의 성질을 '자성'이라고 하고, 그런 성질의 물체를 '자성체'라고 하며, 자석의 성질이 생기는 현상을 '자화'라고 합니다. 

또, 자화가 된 원자들을 '자기 구역'이라고 하고, 그 영향이 생긴 곳을 '자기장'이라고 하며, 그 방향을 선으로 표현한 것을 '자기력선'이라고 한다고 기억해 두면 됩니다. 


사진: 자석은 아무리 잘라도 N극과 S극을 분리할 수가 없다. 원자들이 재배열되어 자기들끼리 다시 N극과 S극을 만들기 때문이다. 하지만 전자인 전하의 분리는 가능한다. [자성, 자기장, 자화라는 단어](사진: 자석은 아무리 잘라도 N극과 S극을 분리할 수가 없다. 원자들이 재배열되어 자기들끼리 다시 N극과 S극을 만들기 때문이다. 하지만 전자인 전하의 분리는 가능한다. [자성, 자기장, 자화라는 단어] / ⓒ Clker-Free-Vector / www.kiss7.kr 편집)


진짜 자석은 원자가 N극과 S극의 성질을 가지는 것이므로, 아무리 깨뜨려서 작은 가루를 만들어도 그 조각 자체에 다시 N극과 S극이 생깁니다. 조각 안의 원자들이 다시 한 방향으로 정렬하기 때문입니다. 그러므로 N극과 S극은 절대 분리할 수 없습니다. 

다만, +전하와 -전하는 분리할 수 있는데, 이것은 원자의 방향을 바꾸는 것이 아니라, 전자라는 알갱이를 떼어내는 것이기 때문에 가능합니다. 





앙페르법칙과 패러데이법칙


마지막으로, 강자성체에 기록하고 읽는 원리를 알아봅니다. 전류와 자기장에 대해서 절대로 빼놓을 수 없는 것이 '앙페르법칙'과 '패러데이법칙'입니다. 

이것을 기억할 때는 "앙페르법칙은 저장(기록)할 때 쓰고, 패러데이법칙은 재생(읽기)할 때 쓴다"는 것도 함께 기억해야 합니다. 


사진: 우리가 사용하는 교통카드나 하드디스크는 자성의 원리를 이용하며, 앙페르법칙과 패러데이법칙이 적용된다. 그래야 쓰고 읽을 수 있다. [앙페르법칙과 패러데이법칙](사진: 우리가 사용하는 교통카드나 하드디스크는 자성의 원리를 이용하며, 앙페르법칙과 패러데이법칙이 적용된다. 그래야 쓰고 읽을 수 있다. [앙페르법칙과 패러데이법칙] / ⓒ OpenClipart-Vectors / POP 카드 / www.kiss7.kr 편집)


앙페르법칙은 "전류로 자석의 성질을 만든다"는 것이라고 기억하면 쉽습니다. 특히 강자성체들이 앙페르법칙에 주로 이용되는데, 전류로 원자를 한 방향으로 정렬시켜서 자화(자석처럼 만들기)가 쉽기 때문입니다. 

코일에 전류 입력 신호가 0이면 전기가 없는 것이므로 자기장 방향이 바뀌지 않고, 전류 입력신호가 1이면 전기가 생긴 것이므로 자기장 방향이 반대로 바뀝니다. 


사진: 앙페르 법칙은 전류가 지나가면 자성을 가지게 만들 수 있다는 것이다. 이것은 원자 배열의 방향을 바꿀 수도 있다는 뜻이다. 이것이 정보의 저장에 사용된다. [앙페르법칙과 패러데이법칙](사진: 앙페르 법칙은 전류가 지나가면 자성을 가지게 만들 수 있다는 것이다. 이것은 원자 배열의 방향을 바꿀 수도 있다는 뜻이다. 이것이 정보의 저장에 사용된다. [앙페르법칙과 패러데이법칙] / ⓒ youtube 캡처 / www.kiss7.kr 편집)


패러데이법칙은 "자석의 성질로 전기가 흐르게 된다"는 것이라고 기억하면 쉽습니다. 즉 N극과 S극일 때는 자기장에 의해 전류가 흐르지만 방향은 다릅니다. 코일이 감긴 센서가 N극, S극이 있는 곳을 지나는 상황을 상상해 봅시다. 극이 바뀔 때 순간적으로 전류의 방향이 바뀌고, 극과 극 사이에서는 전류가 생기지 않습니다. 

즉 전류가 안 흐르면 0, 흐르면 1이라고 읽게 되는 것입니다. 그리고 이렇게 주변 상황이 바뀌어서 생기는 전기를 '유도 전류'라고 하므로 이것도 기억해 두면 좋습니다. 

[저작권법 표시] 이 글의 원본: 키스세븐(www.kiss7.kr)


사진: 패러데이 법칙은 자석이 지나갈 때마다 전류가 흘렀다가 안 흘렀다가 하는 성질이 생긴다는 것이다. 정보를 읽어서 재생할 때 이 법칙을 사용한다. [앙페르법칙과 패러데이법칙](사진: 패러데이 법칙은 자석이 지나갈 때마다 전류가 흘렀다가 안 흘렀다가 하는 성질이 생긴다는 것이다. 정보를 읽어서 재생할 때 이 법칙을 사용한다. [앙페르법칙과 패러데이법칙] / ⓒ tesla-institute.com / www.kiss7.kr 편집)


마지막으로 다시 정리를 하겠습니다. 

기록할 때는 앙페르법칙을 이용하며, 전류를 보내서 원자의 방향을 조정하여 정보를 쓰고 지울 수 있습니다. 재생을 할 때는 패러데이법칙을 이용하며, 자기장이 있거나 없는 곳을 지나면서 생긴 전류를 순서대로 읽어 들여서 정보를 재생합니다. 

전기와 자석이 만들어내는 놀라운 세상에서 우리는 음악을 듣고 사진을 찍고 인터넷을 하며 휴대폰을 들고 다닐 수 있게 되는 것입니다. 



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