자기와 물질

요즈음 가장 눈에 익은 자석은 아마도 냉장고 문에 메모지를 고정하는 작은 장식용 자석일 것이다. 그러나 일상생활에서 자석은 그보다 훨씬 더 큰 역할을 한다. 가정에서 주위를 살펴보더라도 전기기구의 모터, 텔레비전, 초인종과 온도조절장치, 회로차단기, 전력계, 스피커, 스테레오 헤드셋, USB, 어항 펌프 등에서 자석이나 자성체가 광범위하게 사용된다. 또한 수표나 지폐에 사용되는 잉크에도 자성체가 포함되어 있으며 전화기, 신용카드 등에도 이용된다. 이외에도 산업체나 과학연구에서 수만가지 방법으로 자석과 자성체가 활용되고 있다.

엘리자베스 여왕 1세 때 살았던 의사 길버트는 De Magnete의 저자이기도 하지만 처음으로 자기적 현상을 체계적으로 조사하여 이미 1600년에 지구가 하나의 거대한 자석임을 알았다. 항해술이 발달하지 않은 당시에 향해로를 개척하려는 사람들에게 있어서 지구가 자석이라는 사실은 아주 중요한 실용적인 발견이었다.

지표면에서의 자기장은 마치 지구의 중심에 커다란 막대자석이 놓여 있는 것과 같은 자기쌍극자의 자기장이다. 대체로 보면 지구의 쌍극자의 축의 하나는 그린란드 북서쪽의 자기북극이고 다른 쪽은 남극에 있는 자기남극이다.

일반적으로 지자기의 B 자력선은 남반구에서 나와서 북반구로 들어가고 있다. 그러므로 우리가 말하는 지구의 자기북극은 실제로는 지구 자기쌍극자의 남극이다. 지구상의 어떤 지점에서는 이상적인 쌍극자 자기장과 실제로 관측되는 자기장 사이에 지자기의 크기나 방향에서 큰 차이가 있을 수 있다.

실제로 지자기 B가 수직으로 지표면에 들어가는 지점은 그린란드의 자기북극이 아니라 캐나다 북부에 있는 엘리자베스 섬에 있다. 또한 지자기는 시간에 따라 변하므로 수년만 지나도 차이가 확인될 정도로 변하고 100년 정도면 상당히 많이 변하게 된다. 전반적인 지자기 현상은 오랜 시일에 걸쳐 지구의 나이에 비하면 짧은 기간이지만 매우 천천히 변한다.

장기간에 걸친 지자기의 변화는 중부 대서양의 양 끝의 바다 밑 해상의 약한 자기 현상으로 알 수 있다. 이 해상은 분화구에서 스며 나오는 용암으로 형성되어 있다. 흘러나온 용암은 굳어져서 매년 수센티미터씩 옆으로 퍼진다. 굳은 용암의 약한 자기성은 굳을 당시의 지자기에 관한 기록을 그대로 보유하고 있으므로 오랜 시간이 지난 지금에 와서도 그 당시의 지자기 현상을 연구할 수 있다. 이 연구에 의하면 지구의 자기장은 백만년마다 한 번씩 그 방향이 완전히 바뀌는 것을 알 수 있다.

현재 지자기가 왜 생기는지 설명할 수 있는 이론은 많으나 만족스러운 결론을 내리기는 힘들다. 다만 지구 외핵에 있는 액체물질이 회전하여 생기는 전류고리 때문에 생기는 것은 확실한 것 같다. 그러나 이러한 내부 지자기의 동역학적 현상과 이에 필요한 에너지가 어떻게 생기는지는 계속 연구되고 있는 과제이다.

지구 주위를 도는 달은 용암의 핵이 없으므로 자기장이 없다. 태양계의 다른 행성, 특히 수성과 목성은 자기장을 가지고 있다. 특히 중성자별은 수백만 테슬라의 자기장을 가지고 있다. 우리의 은하계에도 자기장이 있다. 비록 그 크기는 매우 약해서 2pT 정도이지만 차지하는 공간이 방대하므로 중요하다.

지표면에서 지구의 반지름 정도 위로 올라가면 지구의 쌍극자 자기장은 태양풍에 의하여 크게 좌우된다. 태양풍은 태양에서 끊임없이 쏟아져 나오는 대전입자의 흐름이다. 자기 꼬리는 태양의 반대쪽으로 뻗어져서 지구반경의 수천 배의 거리에까지 이른다.

지구와 부근 행성들의 자기장 연구는 우주탐험에서 우선순위가 높은 분야이다. 투명한 판 밑에 막대자석을 놓고 그 위에 쇳가루를 뿌린 상태에서 쇳가루가 만드는 무늬를 보면 자석은 두 개의 극을 가지고 있으며 이는 마치 전기쌍극자의 양전하나 음전하와 같아서 자기력선이 들어오고 관례적으로 자석의 양극을 북극과 남극으로 구분하여 부른다. 자석의 북극에서는 자기력선이 나오고 다시 남극으로 들어간다.

이들 양극을 따로 분리하려는 모든 노력은 실패했다. 자석을 둘로 쪼개면 각각 북극과 남극이 있는 두 개의 조그만 자석이 될 뿐이다. 이 과정을 되풀이해서 원자와 전자로까지 쪼개가도 고립된 자기의 한 극, 즉 자기 홀극은 발견할 수 없다. 따라서 다음과 같이 결론지을 수 있다.

• 자연에 존재할 수 있는 가장 간단한 형태의 자기적 구조는 자기쌍극이다.

자기 홀극은 존재하지 않는다. 즉 고립된 전하에 해당하는 자기 홀극은 존재하지 않는다. 대부분의 물질에서 자성을 나타내는 것은 전자의 자기쌍극자 때문이다. 많은 원자핵은 자기쌍극자의 형태로 존재한다. 이들의 크기는 전자보다 2 천분의 1 정도로 작아서 고체의 전체적 자성에 영향을 미칠 정도로 크게 기여하지는 않는다. 그렇지만 원자나 핵의 내부구조를 알려줄 수 있고 실제로 응용 가능한 매우 중요한 현상이다. 예를 들면 자기공명영상법(MRI)에 활용하여 X선으로 볼 수 없는 두뇌와 척추의 세부 모양을 확인할 수 있다. 대상 물체 내의 어떤 핵이 가지고 있는 양성자의 자기 모멘트를 조사했기 때문이다.

전자는 다음의 세 가지 방법으로 자기를 발생시킨다.

1. 전하의 움직임: 전하가 공간이나 도체 선을 따라 움직일 때 외부에 자기장을 만든다.

2. 자기와 스핀: 전자는 음전하로 자체적 스핀 각운동을 가지고 팽이처럼 돌고 있어 자기장을 만든다.

3. 궤도운동: 원자 내의 전자는 고유의 궤도를 가지고 원자핵 주위를 돌고 있어 궤도 자기 모멘트를 가지고 있다.