자석에는 왜 북극(N극)과 남극(S극)이 있을까요?

자석에는 왜 북극(N극)과 남극(S극)이 있을까요?

회전하는 전자는 자석에 북극과 남극이 있는 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 막대자석을 반으로 자르면 극이 제거되지 않습니다. 두 개의 자석이 생성되는데, 각 자석은 다른 자석의 남극에 끌리는 북극을 가지며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

 

자석을 파티 초대장 보관에서부터 냉장고, 의료 영상 촬영에 이르기까지 다양한 목적에 유용하게 만드는 것은 바로 이 기본적인 매력 속성입니다. 그러면 이러한 극은 어떻게 발생합니까? 자석에는 왜 북극(N극)과 남극(S극)이 있나요?

 

자석은 "물리학에서 가장 깊은 미스터리 중 하나"라고 플로리다주 탤러해시에 있는 국립고자기장연구소(National High Magnetic Field Laboratory) 소장인 Greg Boebinger는 말했습니다. 사람들은 수천 년 동안 자석을 사용해 왔지만 과학자들은 여전히 자석의 작동 방식에 대해 새로운 것을 배우고 있습니다.

 

자석이 극을 갖는 이유에 대한 가장 기본적인 대답은 전자의 행동에 있습니다. 자석을 포함한 모든 물질은 원자로 이루어져 있습니다. 모든 원자의 핵은 하나 이상의 음전하를 띤 전자로 둘러싸여 있습니다. 각각의 전자는 과학자들이 '스핀'이라고 부르는 고유한 작은 자기장을 생성합니다. 충분한 양의 작은 자기장이 같은 방향을 가리키면 물질 자체가 자성이 됩니다.

 

전자의 '스핀'은 추상적인 개념이라고 Boebinger는 말했습니다. 기술적으로 전자가 회전하는 것을 본 사람은 아무도 없습니다. 전자가 너무 작아서 현미경으로 볼 수 없습니다. 그러나 물리학자들은 전자를 측정했기 때문에 전자에 자기장이 있다는 것을 알고 있습니다. 그리고 그 장이 생성될 수 있는 한 가지 방법은 전자가 회전하는 경우입니다. 회전 방향을 바꾸면 자기장이 뒤집힐 것입니다.

 

가능하면 전자는 쌍을 이루어 스핀이 상쇄되어 원자의 순 자성이 0이 됩니다. 그러나 철과 같은 일부 원소에서는 그런 일이 일어날 수 없습니다. 전자의 수와 전자가 핵 주위에 위치하는 방식은 각 철 원자가 작은 자기장을 생성하는 짝을 이루지 않은 전자를 갖는다는 것을 의미합니다.

 

자화되지 않은 물질에서는 이러한 개별 자기장이 서로 다른 임의의 방향을 가리키고 있습니다. 그 상태에서는 대부분 서로 상쇄되므로 재료는 전체적으로 자성을 띠지 않습니다. 그러나 올바른 조건에서는 작은 아원자 자기장이 같은 방향을 가리키도록 정렬될 수 있습니다. 이것은 많은 사람들이 모여서 돌아다니는 것과 모두가 조직하고 같은 방향을 향하고 있는 것의 차이라고 생각할 수도 있습니다. 이러한 매우 작은 자기장의 조합은 더 큰 자기장을 만들어서 물질이 자석이 됩니다.

 

냉장고 자석처럼 일상생활에서 사용되는 자석 중 상당수를 영구자석이라고 합니다. 이러한 물질에서는 물질을 구성하는 많은 원자의 자기장이 더 강력한 자기장 내부에 들어가는 것과 같은 외부 힘에 의해 영구적으로 정렬됩니다.

 

종종 더 강력한 자기장은 전기에 의해 생성됩니다. 전기와 자기는 근본적으로 연결되어 있습니다. 왜냐하면 전하의 이동에 의해 자기장이 생성되기 때문입니다. 이것이 회전하는 전자가 자기장을 갖는 이유입니다. 그러나 과학자들은 전기를 이용하여 매우 강력한 자석을 만들 수도 있다고 캘리포니아 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 수석 과학자인 파올로 페라신(Paolo Ferracin)은 말했습니다.

 

와이어 코일을 통해 충분한 전류를 흐르게 하면 전류가 흐르는 동안 지속되는 매우 강한 자기장이 생성됩니다. 이러한 전자석은 물리학 연구에 자주 사용된다고 Ferracin은 말했습니다. 또한 자기공명영상(MRI) 기계와 같은 의료 도구에도 사용됩니다.

 

지구에도 자기장이 있습니다. 이것이 바로 나침반 바늘이 작동하는 이유입니다. 과학자들은 자석의 북극을 자석이 자유롭게 회전할 수 있다면 지구의 북극을 가리키는 끝으로 정의했습니다. 그러나 기술적으로 이는 지구상의 북극 자극이 실제로는 반대 극이 끌어당기는 자기 남극임을 의미한다고 Boebinger는 설명했습니다.

 

물리학 관례에서 자기장 선은 자석의 북극에서 바깥쪽으로 흘러 남극으로 흘러 폐쇄 루프를 형성합니다. 물리학자들은 또한 북극과 남극의 조합이 정사각형으로 배열되는 사중극을 포함한 다른 자극 배열을 발견했습니다. 그러나 한 가지 목표는 여전히 파악하기 어렵다고 Ferracin은 말했습니다. 아직 자기 단극을 발견한 사람은 아무도 없습니다.

 

전자와 양성자는 전기 단극입니다. 각각은 양전하이든 음전하이든 단일 전하를 가집니다. 그러나 전자(및 기타 입자)에는 두 개의 자극이 있습니다. 그리고 그것들은 기본 입자이기 때문에 더 이상 분해될 수 없습니다. 입자가 전기적으로 행동하는 방식과 자기적으로 행동하는 방식의 차이는 많은 물리학자들에게 흥미를 주었으며, 일부에게는 단일 자극을 가진 입자를 찾는 것이 성배입니다. 그것의 발견은 우리가 현재 이해하고 있는 물리학의 법칙에 도전하게 될 것입니다.