자석, 자기력, 자기장은 무엇인가요?

자석

자기 현상은 자연 현상으로, 고대와 현대를 비롯한 국내외 사람들은 점차 그 특성을 이해하게 되었습니다.

이미 3000년 전부터 우리나라 노동자들은 자석이 철을 끌어당기는 현상을 발견했습니다. 전국시대에는 천연 자석을 숟가락 모양으로 갈아서 매끈한 석판 위에 올려놓으면 숟가락의 손잡이가 자동으로 남쪽을 향한다는 것을 사람들은 이미 알고 있었습니다. 이것은 고대인들이 "시난"이라고 불렀던 세계 최초의 나침반입니다.

나침반은 중국인이 자랑스러워하는 4대 발명품 중 하나다. 나침반을 가지고 비로소 발견의 시대, 서구의 산업문명, 그리고 아메리카 대륙의 발견이 찾아왔습니다. 19세기 초, 덴마크 학자 외르스테드는 전류가 자침에 미치는 영향을 최초로 관찰했습니다. 1831년 영국의 과학자 패러데이는 전자기 유도 법칙을 발견했습니다. 이후 자기현상과 자성재료에 대한 연구와 응용은 전기공학과 전자공학에서 중요한 분야가 되었습니다.

전기와 전자기학 그런데 왜 자석은 철, 코발트, 니켈과 같은 금속을 끌어당길 수 있지만 구리, 알루미늄 및 기타 금속은 끌어당길 수 없습니까? 나침반은 왜 남쪽을 가리키나요? 어떤 연관성이 있나요?

자석이 못이나 니켈에 가까이 있으면 이를 끌어당기는 현상을 자기력이라고 하며, 자기력의 범위를 자기장이라고 합니다. 자석에 의해 끌어당겨질 수 있는 물체를 '자성 물체'라고 하며, 특정 조건에서는 스스로 자석이 되거나 자성을 가질 수 있습니다.

철을 끌어당기는 자석의 성질을 자성이라고 합니다. 천연 자석을 사용하여 강철 바늘을 고정된 방향으로 여러 번 문지르면 강철 바늘이 자화될 수 있습니다. 이 과정을 자화라고 합니다. 배터리가 전기를 생성하는 것처럼 자석도 자기를 생성합니다. 자석의 양쪽 끝에서 자력이 발생하기 때문에 막대 모양이나 말굽 모양의 영구자석 주위에 쇳가루를 흩뿌리면 쇳가루는 자동으로 자석의 양쪽 끝에 모이고 나머지 부분은 자석의 끝 부분에 모이게 됩니다. 자석은 거의 보이지 않습니다. 이 현상은 가장 강한 자기 부분이 자석의 두 끝 부분에 집중되어 있음을 보여줍니다. 우리는 이 두 끝을 자극이라고 부릅니다. 배터리에서는 전류가 흘러나오는 쪽을 양극(+) 단자, 전류가 들어오는 쪽을 음극(-) 단자라고 합니다. 자석의 양쪽 끝을 북극, 다른 쪽 끝을 남극이라고 합니다.

이 두 가지 이름을 갖고 있는데, 이것도 과학적인 이유가 있습니다. 이때 자석의 한쪽 끝은 항상 북극을 가리키고 한쪽 끝은 북쪽을 향하게 되어 있습니다. 물론 북쪽을 가리키는 끝은 북극이고, 남극을 가리키는 것은 남극. 자석이 북쪽과 남쪽을 가리키는 이유는 지구 자체가 큰 자석이기 때문입니다. 자석의 관점에서 보면 S극은 북극에 가깝고 N극은 남극에 가깝습니다. 따라서 자석의 N극은 북쪽을 가리키고 S극은 남쪽을 가리킵니다.

영어에서 "North"라는 단어는 북쪽을 의미하고 "South"라는 단어는 남쪽을 의미하므로 일반적으로 N은 북극을 나타내고 S는 남극을 나타냅니다.

자석은 가는 선에 매달려 자유롭게 회전할 수 있지만 항상 한쪽 자극은 북쪽을 가리키고 다른 쪽 자극은 북쪽을 가리키는 방향을 따라 정지해 있습니다. 일반적으로 남쪽을 가리키는 자극을 남극(또는 S극), 북쪽을 가리키는 자극을 북극(또는 N극)이라고 부릅니다. 양전하와 음전하가 서로 밀어내고 반대 전하를 끌어당기는 성질이 있는 것처럼, 남극과 북극 자기극 사이에도 상호 작용하는 힘, 즉 자기력이 있습니다.

배터리의 양쪽 끝을 연결하는 전선이 없으면 전류가 흐르지 않습니다. 그러나 자기는 전선이 필요하지 않으며 공간을 직접 통과할 수 있습니다. 또한, 전기의 흐름과 마찬가지로 원(N에서 S로)을 통과해야 하며 중간에 멈추거나 끊겨서는 안 됩니다. 자기가 이동한 경로는 눈에 보이지 않으며 자기장 선으로 표시됩니다. 자기장선은 그 자체로는 존재하지 않는 추상적인 개념이지만, 자기장은 존재한다. 자기장의 방향을 자기장선의 방향으로 나타내고, 자기장의 세기를 자기장선의 밀도로 나타낸다. 자기장의 밀도가 높을수록 자기장은 강해집니다.

자기는 볼 수도 만질 수도 없지만 객관적인 물질이다. 자석 위에 플렉시글라스나 플라스틱 판을 올려 놓고 그 위에 철분을 뿌린 후 플라스틱 판을 가볍게 진동시키면 철분이 원형으로 규칙적으로 배열되어 있는 것을 볼 수 있는데, 이것이 바로 자기력선의 분포이다. .상황, 즉 자기장의 상황.

전극은 동성끼리 반발하고 이성끼리 끌어당기는 특성을 갖고 있는데, 이는 남극과 남극이 접촉할 때도 마찬가지다. 그러나 자석의 남극과 북극은 서로 접촉할 필요가 없으며 서로 끌어당깁니다.

자력선은 지름길을 좋아하는데, 철 조각(자성체)을 통과하는 길에 놓으면 큰 원을 그리며 돌아다니지 않고 철 블록을 통과하게 된다. 또한, 철 블록을 가능한 한 가까이 끌어당기도록 최선을 다하십시오. 이것이 "매력" 효과입니다.

길을 잃었을 때 방향을 확인하고 싶다면 실제로는 매우 가벼운 자석인 나침반을 사용할 수 있습니다. 나침반은 북쪽을 안내할 수도 있고 가리킬 수도 있기 때문에 간단히 "자침"이라고 불립니다. 지구의 북극은 S극이므로 나침반의 N극을 끌어당기므로 나침반의 N극은 북쪽을 가리키며, 마찬가지로 지구의 남극은 N극이 되어 S극을 끌어당깁니다. 나침반의 S극은 남쪽을 가리킨다. 지구와 나침반의 자기장선은 정렬되어 있지만 방향은 반대입니다. 나침반을 지구의 남극이나 북극에 놓으면 똑바로 세워야 합니다.

자침을 다른 자석 근처, 즉 자기장 안에 놓으면 방향이 바뀌면서 회전하게 됩니다. 자석의 자력이 약하면 자침의 편향각이 상대적으로 작아집니다. 자석의 자력이 강하면 자침의 편향각이 상대적으로 커집니다.

바다 속에 마법의 섬이 있다고 하는데, 그 섬에서는 인어들이 노래를 불러 지나가는 선원들을 혼란스럽게 만든다고 한다. 그 노래를 듣는 자는 미혹을 당할 것이요 그에게 기다리는 것은 파선과 사망뿐이니라 그러나 바다 속에는 그런 섬이 실제로 있고, 그 섬에 접근하는 배는 설명할 수 없이 매우 빠른 속도로 그 섬을 향해 항해하여 해안의 가파른 바위에 부딪힌다고 합니다.

나중에 배가 같은 실수를 하려고 했을 때 선장은 단호하게 배를 버리라고 명령했고, 선원들은 작은 배를 타고 살아남을 수 있었다. 생존자들에 따르면 배에 실린 나침반이 모두 작동하지 않아 배는 통제력을 잃고 필사적으로 섬 절벽에 추락했다고 한다.

물론 이 섬에는 인어가 전혀 없지만, 더 치명적인 또 다른 것이 있는데 바로 자기장입니다. 섬에는 자성 광물이 풍부하여 섬 전체가 큰 자석으로 변한 것으로 밝혀졌습니다. 철갑선이 접근하면 필연적으로 나침반, 즉 나침반이 끌립니다. 물론 간섭으로 인한 고장에도 영향을 미칩니다.

자기력과 자기장

자기장의 세기는 자기력선으로 표현된다고 말했습니다. 두 개의 자기봉을 직렬로 배치하면 단위 단면적을 통과하는 자기력선의 수는 변하지 않으며, 평행하게 배치하면 단위 단면적을 통과하는 자기력선의 수가 증가합니다. , 자기력선은 더 조밀해진다. 숫자가 변하지 않으면 자기장의 강도는 변하지 않고, 숫자가 커지면 자기장은 강화됩니다. 그러나 두 개의 자기 막대를 병치할 때 단단히 눌러야 합니다. 그렇지 않으면 강화되지 않습니다.

철 또는 강철 블록을 "U"자형 자석의 두 극에 놓으면 철 및 강철 블록이 자화되어 철 및 강철 블록이 이동할 때 철가루를 끌어당깁니다. 자극의 하단을 제거해도 여전히 많은 철가루가 강철 블록에 흡입되어 철 블록의 철가루가 거의 모두 떨어집니다.

자화가 멈춘 후 강철 블록에 유지되는 자성을 잔류성이라고 합니다. 철 블록은 잔류성이 적고 강철 블록은 더 많은 잔류성을 갖습니다.

강점과 약점이 다른 두 개의 자석을 나란히 놓으면 강한 자석의 자력선이 약한 자석을 통과하여 약한 자석의 자력선이 상쇄됩니다. . 원래는 같은 기둥으로 병치되어 있었습니다. 이렇게 해서 그들이 떠나게 되면 약자석의 S극과 N극이 서로 위치를 바꾸게 되어 원래의 S극은 N극이 되고, 원래의 N극은 S극이 된다.

강한 자석의 작용으로 몸 안의 작은 자석의 방향이 약한 자석과 함께 바뀌기 때문에 방금 말씀드린 것처럼 원래의 자력선의 방향도 바뀌게 됩니다.

자석을 이용해 못이나 종이클립 같은 작은 물체를 끌어당기는 게임을 가르쳐 볼까요? 다음 실험을 위해 그러한 품목을 준비하십시오. 상점에 가서 페라이트 자석 3~5개와 직경 0.4mm의 에나멜선 10m를 구입하세요. 자석을 구입할 때는 표면이 평평하고 매끈한 것을 선택하세요. 서로 연결하면 자석을 자석 막대로 사용할 수 있습니다.

자석을 이용해 작은 쇠못을 끌어당기면 작은 쇠못도 자석이 된다. 물론 자석에 비해 자력은 매우 약합니다. 약하기는 하지만 자성을 띠기도 합니다. 작은 쇠못을 그 근처에 있는 다른 쇠못 가까이에 놓으면 하나씩 빨려들어가서 끈으로 매달리는데 아주 재미있습니다.

철의 형태는 무엇이든 자석이라는 '성분'을 갖고 있는데, 이 성분이 무엇인지는 일단 소형 자석이라고 생각하면 된다. 대개는 무질서하게 배열되어 있어 자력을 나타내지 않습니다. 철을 자기장 속에 놓으면 작은 자석들이 가지런히 배열되어 자성을 나타낼 수 있다.

왜 자석은 철, 코발트, 니켈 같은 금속만 끌어당기는 걸까요?

실제로 이 질문은 부적절합니다. 실험에 따르면 모든 물질은 자기장에서 어느 정도 자화될 수 있지만 자화 정도는 다르기 때문입니다. 물질이 자화되면 자석이 되는데, 그것을 자화시키는 자석을 동성끼리 밀어내고 이성끼리 끌어당깁니다. 구리나 알루미늄 같은 금속도 자성을 가질 수 있지만 자화가 매우 약하고, 받는 자력도 매우 약해 기본적으로 눈에 보이지 않습니다.

철, 코발트, 니켈 등 강하게 자화될 수 있는 물질을 강자성체라고 합니다. 코발트, 니켈 등의 금속을 함유한 강철이나 합금은 자화되어도 오랫동안 자성을 유지할 수 있습니다. 영구자석은 일반적으로 사용되는 DC 전류계, 전력량계, 스피커 및 헤드폰과 같은 많은 전기 장비에 사용됩니다.

자화된 강자성체는 외부 자기장이 소멸되어 자성이 완전히 사라지지 않고 여전히 자성의 일부가 남아 있는데 이를 잔류자성자성체라고 합니다. 잔류자성에 따라 연자성재료와 경자성재료로 구분됩니다. 연자성 재료는 잔류 자성이 약하고 쉽게 자기가 소멸됩니다. 경자성 재료는 잔류 자성이 강하고 탈자가 쉽지 않아 영구 자석을 만드는 데 적합합니다. 전자기기, 스피커, 마이크, 수자기 모터 등 전기 장비에 사용됩니다.

페라이트라는 자성재료도 있는데, 이는 산화물선과 2가 금속(Ni, Co, Mn, Mg 등)의 산화물로 구성되어 반도체와 유사한 전기적 성질을 갖고 있다. . 강자성 물질과 자기적으로 유사합니다. 페라이트는 전자 기술에서 없어서는 안될 자성 재료가 되었습니다. 페라이트는 전자 컴퓨터의 메모리 부품으로 사용되며 전자 회로의 인덕터 코일의 자기 코어로 널리 사용됩니다.

영구자석은 아무리 조각을 잘라도 작은 조각 하나하나가 자석이 되어 독립된 남극과 북극이 있다는 것은 참으로 흥미로운 현상이다.

모터, 부저, 스피커 등 많은 전기 장비는 자기를 사용하여 작동합니다. 결국 두 개의 자극과 두 개의 전하는 서로 다릅니다. 예를 들어 양전하와 음전하는 분리할 수 있지만 별도의 남극과 북극을 얻는 것은 불가능합니다. 막대 자석이 여러 부분으로 나누어져 있더라도 각 부분에는 여전히 남쪽과 북쪽이라는 두 개의 반대 자극이 있습니다.