자석의 원리

이해했다고 느낀다면 그게 시작이고 설명할 수 있을 때 내 것이 된 것이다.

그리고 설명하려면 그 용어를 먼저 정의해야 한다.

 

자석 磁石 Magnet

자성을 띤 광물.

우리 생활 속 전자제품, 생활용품속에서 흔하게 활용된다.

지구 자체도 자석이라 나침반을 사용하여 방향을 알 수 있고,

플로피디스크, CD도 자석의 원리로 데이터를 저장하는데 그 원리는 나중에 공부해보도록 하자.

이렇게 널리고 널린 자석이지만 우리는 자석이 왜 이런 성질을 지녔는지 설명하지 못한다.

질문하지 않았고 설명하지 않았기 때문이다.

 

자석의 N극과 S극은 어디에서 나오는 것일까?

자석을 반으로 잘라 두 개의 극을 분리하려고 시도한다면 아무리 잘라도 N극과 S극을 분리할 수 없다.

이는 자석의 한 부분이 N극이고 다른 한 부분이 S극인 게 아니라 원자 단위에서 극을 일정하게 배열하고 있기 때문이다.

 

원자 原子 Atom

더 이상 쪼갤 수 없는 물질의 가장 기본적인 단위. (현재까지는)

질량: 1.67x10-27 to 4.52x10-25kg

전하: 중성이거나 이온 형태로 전하를 띔

직경: 62pm (He) to 520pm (Cs)

구성: 양성자와 중성자로 구성된 원자핵과 전자

 

자석을 발견하고 원자를 발견하기까지 지난 2500년이 걸렸다.

길버트, 외르스테드, 페러데이의 시대에 걸쳐 이 신기하지만 설명할 수 없는 전기력과 자기력 현상은 현재까지도 해결되지 않았다. (정확하게는 거시적 물리학으로는 설명이 가능하고 양자 세계에서는 불가능하다)

 

우리가 아는 범위 내에서는

전류를 흘리면 자기장이 발생한다 - 외르스테드 (추후 전동기로 사용, 플레밍의 오른 속 법칙)

자기장이 생기면 전류를 발생한다 - 패러데이 (추후 발전기로 사용, 플레밍의 왼손 법칙)

 

이와 같이 물질에 전류를 흘리면 전자가 이동하고 자기장을 발생시킨다 = 자성을 띤다.

그런데 자석은 전류를 흘리지 않아도 그 상태 그대로 자성을 띤다.

그 이유는 원자핵을 중심으로 전자가 공전을 하며 동시에 자전을 하기 때문이다.

공전과 자전에는 축이 있게 마련이고, 그 축이 N극과 S극을 결정한다.

여기서 전자의 자전을 스핀이라 하고 많은 사람들이 연구하고 있는 중요한 현상인데 이것이 자석의 성질을 결정하기 때문이다.

 

스핀의 정의: 고전역학으로 설명이 불가능한 미스터리한 각운동량. = "모른다"

 

원자핵의 주변에 전자가 돌고 있다는 사실은 톰슨, 러더포드, 보어, 제이만, 파울리, 울렌 벡, 호우트스미트, 슈테른, 게를라흐의 생애에 걸쳐 발전되었다.

여기서 원자핵의 질량, 전자의 개수, 공전과 자전의 다름이 만들어내는 에너지와 그 에너지가 결정하는 물질의 성질들을 알아나아가기 시작하고 드디어 우리가 현재 직면한 문제, 파동-입자 이중성 (Wave-particle duality) 양자역학이 처음으로 언급된다.

 

양자역학에 반대하던 아인슈타인도 보어와의 대화에서 전자의 스핀에 논리가 있다고 언급했다고 한다.

 

아인슈타인이 발표한 상대성이론의 제목은 "움직이는 물체의 전기역학에 대해서" 였는데 이는 전기력과 자기력의 현상을 관찰하고 만들어낸 논리이다.

상대성이론에 의하면 전자(-)의 입장에서는 원자핵(+)이 자신을 돈다라고 볼 수 있다.

그렇다면 전자는 움직이는 에너지를 아끼기 위해서, 혹은 그 자기장의 에너지에 몸을 맡기고 자석인 상태로 원자핵의 움직임에 따라 자전하는 것이 유리한 상황이 된다.

 

하지만 위의 가설을 여러 가지 문제를 직면하고 아직까지 증명되지 못했다.

첫째, 입자는 곧 파동이라는 양자역학에서 파동의 크기를 모르는데 회전을 논할 수가 없다.

둘째, 만약 크기를 가정하고 스핀의 속도를 계산해보면 빛의 속도보다 빠르다는 결과가 나오므로 현실성이 없다.

셋째, 물리학의 기본 법칙 중 한 가지인 대칭성에 위배한다. 360도를 돌면 같은 곳을 봐야 하는데 스핀의 각 운동량은 1/2이므로 720도를 회전해야 같은 지점을 본다. 3차원 시공간에서 설명이 불가능하다.

 

이쯤, 자석의 성질로 돌아가서 해결이 가능한 쉬운 질문을 해보자.

자석의 N극과 S극은 왜 서로 끌어당기는 건가?

극의 배열이 같은 자석을 일자로 위치시키면 그들의 전류 방향이 같다. = 전자 이동의 방향이 같다 = 자기장의 방향이 같다 일 것이고 이에 따라 = 전자의 움직임이 끌어당기는 힘을 만든다.