자석과 자극
막대자석을 반으로 자르면 N극과 S극을 각각 가진 자석 두 개가 됩니다.
북쪽을 찾는 극, 남쪽을 찾는 극
막대자석을 실에 매달아 자유롭게 돌 수 있게 해 두면, 한쪽 끝이 빙 돌아서 대략 북쪽을 가리키게 됩니다. 그 끝을 자석의 N극, 더 정확히 말하면 북쪽을 찾는 극(north-seeking pole)이라고 부릅니다. 반대쪽 끝은 남쪽을 찾는 극인 S극입니다. 막대 모양, 말굽 모양, 고리 모양, 냉장고 문에 붙이는 납작한 판까지, 모양이 어떻든 모든 자석은 이 두 극을 다 가지고 있습니다. 극은 자석이 끌어당기는 힘이 가장 센 자리입니다. 그래서 클립을 가까이 대면 막대자석의 양 끝에 우르르 몰리고, 가운데에는 거의 붙지 않습니다.
자석 두 개를 서로 가까이 가져가 보면 그 규칙은 아주 짧습니다. 같은 극끼리는 서로 밀어내고, 다른 극끼리는 서로 끌어당깁니다. N극은 다른 자석의 N극을 밀어내고, S극은 S극을 밀어내며, N극과 S극은 서로를 끌어당깁니다. 전하도 이와 비슷한 규칙을 따릅니다. 하지만 둘 사이에는 큰 차이가 하나 있고, 다음 절에서 그 이야기를 합니다.
끌어서 돌리고, 휠이나 두 손가락으로 확대하세요.
극 하나만 떼어 낼 수는 없습니다
양전하와 음전하는 서로 떼어 놓을 수 있습니다. 예를 들어 풍선을 문지르면 풍선 하나가 혼자서 음전하를 더 많이 가지게 됩니다. 그런데 자석의 극은 절대 떨어지지 않습니다. N극과 S극을 나눠 보려고 막대자석의 가운데를 자르면, 각 반쪽의 절단면에 새 극이 하나씩 생겨 각각 온전한 자석이 됩니다. 계속 잘라도 똑같은 일이 일어나고, 철 원자 하나까지 내려가도 그 원자에는 여전히 N극과 S극이 있습니다. 태양의 흑점은 서로 반대인 자극을 가진 쌍으로 나타나는 경우가 많습니다.
다른 극 없이 혼자 떨어져 있는 극 하나를 자기 홀극(magnetic monopole)이라고 부릅니다. 자기 홀극은 지금까지 한 번도 발견된 적이 없고, 물리학자들은 지금도 그것을 찾고 있습니다. 극이 언제나 짝을 이뤄 나타나기 때문에, 오늘날에는 모든 자기 현상이 움직이는 전하에서 온다고 봅니다. 원자 안에서 돌고 회전하는 전자, 또는 전선을 흐르는 전류입니다. 4단원에서는 전류를 흘려서 직접 자석을 만들어 봅니다.
왜 어떤 금속만 붙을까
냉장고 자석은 강철로 된 문에는 잘 붙지만 알루미늄 냄비나 구리 동전에는 붙지 않습니다. 자석에 강하게 반응하는 물질은 몇 가지밖에 되지 않습니다. 라틴어로 철을 뜻하는 ferrum에서 이름을 딴 강자성체로, 철, 코발트, 니켈, 가돌리늄과 강철 같은 합금입니다. 네오디뮴을 비롯한 희토류 원소의 합금은 흔히 쓰는 영구 자석 가운데 가장 강합니다. 다른 물질도 자석에 반응은 하지만, 그 반응이 너무 약해서 민감한 정밀 기기로만 알아챌 수 있습니다.
철 조각 안에는 자기 구역(domain)이라고 부르는 작은 영역들이 있습니다. 한 구역 안에서는 저마다 작은 자석인 원자들이 모두 같은 쪽을 향합니다. 하지만 구역끼리는 제각기 다른 쪽을 향하고 있어서 그 효과가 서로 상쇄됩니다. 자석을 가까이 대면 자석과 같은 쪽을 향한 구역이 커지고(때로는 밀리미터 크기까지) 나머지는 작아집니다. 그러면 철 자체가 자석이 되고, 내 자석과 다른 극이 내 자석 쪽을 향하게 되므로 철이 끌려옵니다. 하지만 열을 가하거나 세게 두드리면 정렬했던 구역들이 다시 제각각으로 흐트러집니다. 퀴리 온도라고 부르는 온도, 철의 경우 770 °C(1043 K)를 넘으면 철은 강자성을 잃고 상자성체가 됩니다.
| 자석의 N극 | 자유롭게 매단 자석에서 북쪽을 향하는 끝 |
| 자극의 규칙 | 같은 극은 밀고 다른 극은 당깁니다 |
| 강자성체 | 자석에 세게 반응: 철, 코발트, 니켈, 가돌리늄 |
| 자기 구역 | 원자 자석들이 같은 쪽을 향하는 영역 |
| 철의 퀴리 온도 | 770 °C(1043 K) |
| 자기 홀극 | 혼자 떨어진 극 하나. 관측된 적 없음 |
- 모든 자석에는 북쪽을 찾는 극과 남쪽을 찾는 극이 있습니다.
- 같은 극은 밀고 다른 극은 당깁니다.
- 극은 떼어 낼 수 없어서 자석을 자르면 자석 두 개가 됩니다.
- 철, 코발트, 니켈, 가돌리늄은 강자성체이고, 자석 근처에서 자기 구역이 정렬합니다.
- 퀴리 온도(철은 770 °C)를 넘으면 철의 강자성이 사라집니다.
- N극 두 개를 가까이 가져가면?
- 서로 밉니다
- 서로 당깁니다
- 아무 일도 없습니다
- S극으로 바뀝니다
- N극과 S극을 가까이 가져가면?
- 서로 당깁니다
- 서로 밉니다
- 아무 일도 없습니다
- 자리를 바꿉니다
- 막대자석을 반으로 자르면?
- N극과 S극을 가진 자석 두 개
- N극 하나와 S극 하나
- 자석이 아닌 금속 두 조각
- 자석 하나와 그냥 철 한 조각
- 자석에 세게 끌리지 않는 금속은?
- 알루미늄
- 철
- 니켈
- 코발트
- 강자성체(ferromagnetic)라는 이름은 어떤 라틴어 낱말에서 왔을까요?
- 철
- 돌
- 북쪽
- 자석
- 철의 퀴리 온도는 1043 K입니다. 섭씨로 몇 °C일까요? (소수 첫째 자리, 273.15 사용)
- 자석이 아닌 쇠못이 자석에 붙는 이유는?
- 자기 구역이 정렬해 다른 극이 내 자석을 향하는 자석이 됩니다
- 원래부터 영구 N극이 있습니다
- 철은 양전하를 띱니다
- 자석이 못을 데웁니다
- 한 번도 관측되지 않은 것은?
- 자기 홀극
- S극
- 말굽자석
- 자기 구역
- 자석을 세게 가열하면?
- 자기 구역이 흐트러져 약해집니다
- 더 세집니다
- 극이 바뀝니다
- 구리가 됩니다
- 길버트가 『자석에 관하여』를 펴낸 해는?
- 1600년
- 1492년
- 1687년
- 1820년
이 과정의 출처 (16)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 22.1 Magnets (all magnets have N and S poles, north-seeking and south-seeking, like poles repel and unlike attract, poles cannot be separated, the magnetic pole near the geographic North Pole is a south magnetic pole, sunspots come in N/S pairs)
- 22.2 Ferromagnets and electromagnets (iron, cobalt, nickel, gadolinium; neodymium alloys; domains grow to millimetre size; Curie temperature of iron 1043 K (770 °C); Oersted saw a compass needle deflected by a current; electromagnets in scrapyard cranes, particle accelerators and MRI; electric current is the source of all magnetism; no monopoles observed)
- 22.3 Magnetic fields and field lines (direction = where a compass north end points; four rules: tangent, density = strength, never cross, closed loops from N to S outside)
- 22.7 Magnetic force on a current-carrying conductor (F = I l B sin θ, 1 T = 1 N/(A·m), example 20.0 A, 5.00 cm, 1.50 T gives 1.50 N; motors)
- 22.9 Magnetic fields produced by currents (Oersted 1820, right hand rule 2, B = μ0 I ÷ (2π r), μ0 = 4π × 10⁻⁷ T·m/A, Earth's field about 5.0 × 10⁻⁵ T, 25 A at 5.0 cm gives twice that; loop centre B = N μ0 I ÷ 2R; solenoid B = μ0 n I, 2000 loops over 2.00 m with 1600 A gives 2.01 T, MRI; ferromagnetic cores)
- 23.1 Induced emf and magnetic flux (Faraday's iron-ring apparatus, emf only while the field changes, magnet pushed into a coil, faster motion gives more emf, generators, Φ = B A cos θ)
- NIST CODATA 2022 vacuum magnetic permeability μ0 = 1.25663706127(20) × 10⁻⁶ N/A² (physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mu0)
- NOAA NCEI Geomagnetism Frequently Asked Questions (ncei.noaa.gov/products/geomagnetism-frequently-asked-questions): field like a dipole at Earth's centre, over 90% from the outer core, intensity roughly 25,000 to 65,000 nT (0.25 to 0.65 gauss)
- 1 gauss = 100,000 nT, declination = angle between magnetic north and true north (east positive)
- inclination, dip poles, dipole axis 9.41° from the rotation axis (WMM2020, 2020.0)
- north magnetic pole moving about 55 km per year north-northwest (2001 and 2007 surveys)
- last reversal about 750,000 to 780,000 years ago, reversals spaced 5 thousand to 50 million years, a reversal would take several thousand years, models renewed every five years, blackout zones where H < 2000 nT, compass balance weights differ by hemisphere, true bearing = magnetic bearing + declination
- NOAA NCEI news "World Magnetic Model 2025 Released" (17 December 2024)
- NOAA NCEI "December 2025 State of the Geomagnetic Field" (north dip pole 36 km/yr and south dip pole 9 km/yr since 1 January 2025)
- USGS, "Pre-gilbertian conceptions of terrestrial magnetism" (pubs.usgs.gov/publication/70009843): Gilbert's De Magnete (1600) first suggested that Earth behaves as a great magnet. Royal Institution, Michael Faraday's ring-coil apparatus (rigb.org): made August 1831, success on 29 August 1831, the first electric transformer
- APS News "This Month in Physics History" (Aug 2001): Faraday's electromagnetic rotation experiments of September 1821, the principle behind the electric motor.
확인한 날: 2026-10-17