자석은 왜 철에만 붙을까? | 자석으로 할 수 있는 것

자석은 철, 니켈, 코발트처럼 원자 내부의 전자 배열이 정렬될 수 있는 금속에만 붙어요.

냉장고 문에 자석을 딱 붙였어요.

손을 떼도 떨어지지 않죠. 신기해요. 보이지 않는 힘으로 서로 잡아당기잖아요. 근데 나무 문이나 플라스틱에는 왜 안 붙을까요? 🧲

어렸을 때 자석으로 장난감 낚시 게임 했던 기억 나요? 물고기에 철 조각이 박혀 있어서 낚을 수 있었죠. 그때는 "자석이 원래 그런 거지" 했는데, 지금 생각해보면 궁금해져요. 왜 철만 붙을까?

오늘은 자석의 신비한 세계를 파헤쳐볼게요.

목차
▪ 자석은 왜 철에만 붙을까?
▪ 자석의 N극과 S극이 생기는 이유
▪ 냉장고 자석은 어떻게 떨어지지 않을까?
▪ 자석을 떨어뜨리면 약해지는 이유
▪ 나침반이 북쪽을 가리키는 이유
▪ 자기부상열차의 원리
▪ 스피커와 이어폰 속 자석의 역할

자석은 왜 철에만 붙을까?

정확히는 철, 니켈, 코발트에 붙어요.

이 금속들은 특별한 능력이 있어요. 원자 안의 전자들이 한쪽 방향으로 쫙 정렬될 수 있거든요. 마치 군대에서 정렬하듯이요. ⚛️

전자가 정렬되면 작은 자석이 돼요.

각 원자가 미니 자석이 되는 거죠. 평소에는 방향이 뒤죽박죽이라 힘이 상쇄돼요. 그런데 강한 자석을 갖다 대면 전자들이 우르르 한쪽으로 정렬돼요. 그러면 자석에 달라붙는 거예요.

다른 금속은 안 돼요.

금, 은, 구리, 알루미늄은 전자 배열이 안 되거든요. 아무리 강한 자석을 갖다 대도 무반응이에요. 구조 자체가 다른 거죠.

재밌는 건 온도예요. 철을 770도 이상 가열하면 자석이 안 붙어요. 전자들이 너무 활발하게 움직여서 정렬이 안 되거든요.

• 철/니켈/코발트만 전자 정렬 가능
• 전자가 정렬되면 자성 생김
• 다른 금속은 구조상 정렬 불가
• 고온에서는 자성 사라짐

자석의 N극과 S극이 생기는 이유

자석을 반으로 쪼개면 어떻게 될까요? ✂️

반쪽 하나에 N극만, 다른 반쪽에 S극만 있을까요? 아니에요. 각 조각이 다시 N극과 S극을 가져요. 아무리 쪼개도 마찬가지예요.

왜 그럴까요? 자기장의 기본 단위 때문이에요.

자기장은 항상 고리 모양이에요. N극에서 나온 힘의 선이 S극으로 들어가는 폐곡선이죠. 고리를 끊을 수 없어요. 잘라도 각 조각에서 새로운 고리가 생겨요.

같은 극끼리는 밀어내요.

N극과 N극을 가까이 대면 보이지 않는 벽이 있는 것처럼 밀려나죠. 반대로 N극과 S극은 서로 당겨요. 이게 자기력이에요.

지구도 거대한 자석이에요. 북극이 S극, 남극이 N극이에요. 헷갈리죠? 나침반의 N극이 북쪽을 가리키는 건 지구 북극이 S극이기 때문이에요. 🌍

Q. N극만 있는 자석은 만들 수 없나요?

현재 과학으로는 불가능해요. 자기 홀극(monopole)이라고 하는데, 이론적으로만 존재해요.

냉장고 자석은 어떻게 떨어지지 않을까?

냉장고 자석 뒤를 보면 평평해요.

이게 비밀이에요. 평평한 면에 작은 자석들이 줄무늬로 배열돼 있어요. N극과 S극이 번갈아 나오는 패턴이죠.

이 패턴이 냉장고 철판의 전자들을 정렬시켜요.

접촉면이 넓을수록 더 강하게 붙어요. 그래서 냉장고 자석은 얇고 넓게 만들어요. 접촉 면적을 최대화하는 거죠. 📄

무거운 종이는 못 버텨요.

자석의 힘보다 종이 무게가 무거우면 미끄러져 내려요. 냉장고 자석은 대략 A4 용지 2~3장 정도가 한계예요.

자석과 냉장고 사이에 먼지가 끼면 힘이 약해져요. 자기력은 거리에 민감하거든요. 조금만 떨어져도 확 약해져요.

조건	자력 변화
접촉 면적 증가	강해짐
거리 증가	약해짐 (제곱에 반비례)
온도 상승	약해짐

자석을 떨어뜨리면 약해지는 이유

자석을 바닥에 떨어뜨렸어요.

그 순간 충격으로 내부 구조가 흔들려요. 정렬되어 있던 전자들이 방향이 틀어지는 거죠. 💥

완벽한 정렬이 흐트러져요.

100% 정렬되어 있다가 충격 받으면 95%, 90%로 떨어져요. 그만큼 자력이 약해지는 거죠. 망치로 때리면 더 심해요.

영구자석도 영구적이지 않아요. 시간이 지나면 자연스럽게 약해져요. 전자들이 조금씩 흐트러지거든요. 수십 년 지나면 눈에 띄게 약해질 수 있어요.

열도 적이에요. 자석을 불에 넣거나 고온에 노출시키면 자성이 사라져요. 전자들이 난리 나서 정렬이 완전히 무너지거든요. 🔥

보관할 때 조심하세요. 두 자석을 붙여두면 오래가요. 자기장이 안정되거든요. 따로 떨어뜨려 놓으면 더 빨리 약해져요.

• 충격으로 전자 정렬 흐트러짐
• 시간 지나면 자연 약화
• 고온 노출 시 자성 소멸
• 붙여서 보관하면 오래 유지

나침반이 북쪽을 가리키는 이유

나침반 바늘은 작은 자석이에요. 🧭

N극과 S극이 있죠. 그런데 왜 항상 북쪽을 가리킬까요? 지구가 거대한 자석이기 때문이에요.

지구 내부에 쇳물이 있어요.

외핵이 액체 상태의 철과 니켈로 이루어져 있거든요. 이게 대류하면서 자기장을 만들어요. 지구 전체가 막대자석처럼 작동하는 거죠.

헷갈리는 부분이 있어요.

지구 북극은 자기적으로 S극이에요. 그래서 나침반 N극이 끌려가는 거예요. N극과 S극은 서로 당기니까요. 북극이 N극이라고 생각하기 쉬운데, 사실은 반대예요.

자기 북극과 지리적 북극은 달라요.

자기 북극은 캐나다 근처에 있고, 게다가 조금씩 움직여요. 1년에 50km씩 이동한다고 해요. 나침반은 자기 북극을 가리켜요.

Q. 적도에서는 나침반이 제대로 작동하나요?

작동해요. 다만 자기장이 약해서 바늘이 천천히 움직여요. 극지방에 가까울수록 더 정확해요.

자기부상열차의 원리

자석으로 기차를 띄워요. 🚄

선로에 자석, 기차 바닥에 자석. 같은 극끼리 마주 보게 해요. N극과 N극이 만나면 밀어내잖아요. 그 힘으로 기차가 붕 떠요.

마찰이 없어요.

바퀴가 선로에 안 닿으니까 마찰력이 제로예요. 그래서 엄청 빠르게 달릴 수 있어요. 시속 500km 이상도 가능해요.

전자석을 써요.

영구자석으로는 힘이 부족해요. 전류를 흘려서 자기장을 만드는 전자석을 쓰죠. 전류 세기를 조절해서 힘을 컨트롤해요.

앞으로 당기고 뒤에서 밀어요.

선로의 자석 극성을 빠르게 바꿔요. 기차 앞쪽은 S극으로 당기고, 뒤쪽은 N극으로 밀어요. 이렇게 해서 추진력을 만들어요. ⚡

단점은 비용이에요. 전자석을 계속 작동시키려면 엄청난 전기가 필요하고, 설비 비용도 어마어마해요.

방식	속도	장점	단점
일반 열차	~300km	h	저렴
자기부상	~500km	h	빠름, 조용함

스피커와 이어폰 속 자석의 역할

스피커를 열어보면 자석이 들어있어요. 🔊

큰 동그란 자석이죠. 이게 소리를 만드는 핵심이에요.

전기 신호가 코일을 지나가요.

음악 파일의 전기 신호가 코일(구리선을 감은 것)에 흐르면 자기장이 생겨요. 이 자기장이 고정된 자석과 밀고 당기면서 진동해요.

코일에 붙은 진동판이 떨려요.

진동판이 공기를 밀었다 당겼다 하면서 음파를 만들어요. 이게 우리 귀에 소리로 들리는 거죠. 전기 → 자기 → 소리, 이렇게 변환되는 거예요. 🎵

이어폰도 똑같은 원리예요.

작은 자석과 코일이 들어있어요. 스피커를 아주 작게 만든 거죠. 고급 이어폰일수록 자석 품질이 좋아요.

마이크는 반대예요. 소리 → 진동 → 자기 → 전기로 변환해요.

• 전기 신호가 코일에 자기장 생성
• 자기장이 고정 자석과 상호작용
• 진동판이 떨려 소리 생성
• 이어폰과 마이크도 같은 원리

 

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질문(Q&A)

Q. 자석을 가까이 대면 전자기기가 망가지나요?

강한 자석을 하드디스크나 신용카드에 대면 데이터가 지워질 수 있어요. 스마트폰은 요즘 대부분 괜찮아요.

Q. 네오디뮴 자석이 더 강한 이유는?

희토류 원소를 써서 전자 정렬이 훨씬 강해요. 같은 크기에서 일반 자석보다 10배 강할 수 있어요.

Q. 자석을 삼키면 위험한가요?

매우 위험해요. 특히 둘 이상 삼키면 장기가 끼일 수 있어요. 즉시 병원 가야 해요.

Q. 자석으로 전기를 만들 수 있나요?

네, 발전기가 그 원리예요. 자석 주위에서 코일을 돌리면 전기가 생겨요. 화력·수력 발전소 모두 이 방식이에요.

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자석은 신비로워요.

보이지 않는 힘으로 철을 끌어당기고, N극과 S극이 영원히 공존하고, 지구 전체를 하나의 자석으로 만들죠. 어렸을 때는 그냥 신기한 장난감이었는데, 알고 보니 현대 문명의 핵심이에요.

스피커, 이어폰, 발전기, 자기부상열차, MRI까지. 자석 없는 세상은 상상할 수 없어요. 냉장고에 붙은 작은 자석 하나도 다르게 보이죠?

다음에 자석 보면 한번 생각해보세요. 지금 이 순간에도 수십억 개의 전자들이 한 방향으로 정렬되어 보이지 않는 힘을 만들고 있다는 걸요. 작은 자석 속에 우주의 원리가 숨어있어요.

 

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