자기장의 흐름에 따라 자석의 힘이 발생하는 전자기력

 앙드레 가임은 2010년 탄소 원자 1개 두께의 벌집 모양의 2차원 결정체 그래핀을 발견한 공로로 노벨상을 수상한 물리학자다. 하지만 그보다 훨씬 전인 2000년에 그는 개구리를 띄우기 위해 자석을 사용한 기발한 실험으로 이그 노벨상을 받았다. '이그 노벨상'은 하버드 대학의 과학잡지 AIR가 과학에 대한 대중의 관심을 불러일으키기 위해 노벨상을 패러디하여 제정한 상이다. 그것은 기여한 사람에게 주는 상이다. 게임은 강력한 전자석을 이용해 개구리를 자석으로 바꿀 수 있다면 개구리 자석과 전자석이 서로 밀어내도록 함으로써 공중부양에 필요한 힘을 얻을 수 있을 것이라고 추측했다. 그러나 자석은 같은 극이 서로 마주보고 있을 때만 밀고 다른 극이 서로 가까이 올 때 당깁니다.

먼저, 개구리를 띄우는 데 필요한 힘의 원천에 대해 논의하기 전에, 자석이 어떤 성질을 가지고 있는지 알아봅시다. 자석을 뜻하는 영어 단어 'magnet'은 오늘날 터키의 서해안에 있는 지역의 이름인 고대 그리스어 'magnesia'에서 유래했다. 마그네타이트가 풍부한 지역이기 때문에 철과 같은 금속 물체에 마그네타이트 돌이 끌리는 현상이 관찰되었다. 고대 그리스 철학자 탈레스는 자철석이 다른 자석이나 철을 끌어당기는 현상이나 호박을 털에 문지르고 깃털을 잡아당기는 현상은 영혼이 물체에 녹아들면서 생긴 현상이라고 생각했다. 우리가 사용하는 자석(子石)은 원래 자애로운 돌을 뜻하는 자석(子石)으로 사용되었다고 한다. 고대 중국에서는 자석의 매력은 사랑하는 엄마(자석)와 아이(철)의 매력에 의해 설명되었다고 한다. 자석의 다른 이름은 '진암철'이다. 그것은 남쪽을 가리키는 철을 의미한다. 지구의 남북 방향을 나타내는 자석은 나침반의 심장이다. 화약·종이·인쇄와 함께 중국의 4대 발명품 중 하나로 강조되는 나침반은 세계 현대문명을 탄생시킨 원동력이다.

자석 주변에 쇳가루를 뿌리면 일정한 모양으로 달라붙는다. 쇠를 으깨서 만든 철가루는 보통 자성을 갖지 않지만, 자석을 가까이 가져가면 자석의 성질을 띠게 된다. 막대 자석의 양끝은 N극 또는 S극이 된다. 두 개의 막대 자석이 서로 마주보면, 같은 극이 서로 밀어내고 서로 다른 극이 서로 끌어당긴다. 자석의 N극에 작은 쇳가루가 붙어 있으면 자석의 N극에 닿는 부분이 S극이 되고, 반대편에 닿는 쇳가루가 N극자석이 된다. 이 쇳가루 자석에 다른 쇳가루 조각을 붙이면 그 조각도 (S-N) 폴이 달린 자석으로 변합니다. 이렇게 작은 쇳가루 조각을 연속적으로 부착함으로써 막대 자석의 N극에서 시작하여 (S-N)-(S-N)-...(S-N)-(S-N)-(S-N)-(S-N)-(S-N)-)-(S-N)-)-(S-N)-)-(S-N)-N)-(S-N)로 연결되는 긴 철분말단부를 만들 수 있다.

쇳가루로 만든 자성 끈의 모양을 보면 N극에서 나오는 자성 흐름이 S극으로 빨려 들어가는 것을 연상시킨다. 이와 같이 막대 자석의 N극에서 S극으로 전달되는 자석의 흐름을 자기장이라고 한다. 이 자기장의 흐름 속에 철분말과 같은 작은 자석의 N극이나 S극이 놓이면 흐름의 방향과 같은 방향 또는 반대 방향으로 힘이 가해진다.

사실, 지구는 또한 거대한 자석입니다. 지도상의 북극은 자석의 S극이고, 남극은 N극이므로 지구가 만들어내는 자기장의 방향은 지구 표면에서 북쪽이므로 나침반의 북극은 북쪽을 가리킨다.

다른 자석의 N극 또는 S극이 자석의 N극과 S극 사이에 퍼져 있는 자기장을 가로지르면 힘을 받는다고 해석해 왔지만 왜 그런 힘이 발생하는지는 알 수 없다. 이전 글 [스마트폰 배터리 하나로 몇 명을 들어올릴 수 있는가?]에서 전기현상에서 "전하된 물체 사이의 힘은 두 물체의 전하 크기의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다." 쿨롱의 법칙은 전기의 존재 사이의 연관성을 밝혔다.도시와 군대 막대 자석 주위에 흩어진 철분말의 형상을 자기장의 개념과 연결할 수 있다는 점에서 자석의 힘을 전기와 비교하여 시각적으로 쉽게 이해할 수 있다. 하지만, 이 자기장의 정체는 여전히 미스터리다.

19세기 초 덴마크의 물리학자이자 화학자인 에르스테트는 전선을 배터리에 연결하고 전류를 통과시켜 전기 코드에 열과 빛을 발생시키는 실험을 하면서 전기와 자기 사이의 연관성에 대해 처음으로 의문을 제기했다. 그는 주변의 나침반을 전류 전달선에 가까이 가져와서 나침반이 전류에 반응하는 것을 보았다. 그 순간 에르스테드의 머릿속에는 전류에 의해 만들어진 자기장의 이미지가 펼쳐지기 시작했다. 우연히 일어난 일이지만 여기서 에르스테드는 자력의 수수께끼를 풀 실마리를 찾았다.

에르스테트가 실험 결과를 보고한 지 일주일 뒤 프랑스 물리학자 암페어는 에르스테트가 얻은 전류와 자기장의 관계를 명확한 수학적 이론을 통해 정리한 '암페어의 법칙'을 발표했다. 외르스테드에 의해 자철석으로만 제한되었던 자기장의 존재가 전류 속에서 밝혀졌다. 실제로 전기코드를 원통형으로 감아 만든 '솔레노이드' 코일에 전류가 흐를 때 발생하는 자기장의 형상은 원통형 자석에서 방출되는 자기장의 형상과 동일하다. 현재 사용되는 대부분의 전기 모터에 사용되는 전자석은 이 솔레노이드 코일을 기반으로 합니다. 암페어의 법칙은 전류, 즉 전류가 자기장을 만든다고만 말한다. 그러나 "왜 자기장에 놓인 N극과 S극에 힘이 작용하는가"와 "자기장에 의해 야기되는 힘의 원천이 전기와 어떻게 관련되어 있는가"는 여전히 설명이 필요하다.

서로 옆에 놓인 두 도체에 작용하는 힘의 방향은 도체에 흐르는 전류의 방향에 따라 달라진다. 두 도체의 현재 방향이 같으면 당겨지고, 현재 방향이 다르면 뒤로 밀립니다. 이 현상은 "자기장에 놓인 N극과 S극에 작용하는 법칙"과 일치한다. 두 개의 병렬 도체를 구부려 두 개의 원형 도체를 형성하면 각 도체는 단일 권선 솔레노이드 코일, 즉 두 개의 루프가 된다. 전류가 흐를 때 각 링은 N-S 극을 가진 자석이 됩니다. 전류가 동일한 방향으로 흐를 경우, 두 링 자석의 극은 N극과 S극이 서로 마주보도록 (N-S)-(N-S)로 배열된다. 그들은 서로 끌어당기는 힘으로 작용한다. 반대로 한 고리의 전류 방향이 반대로 되면 (N-S)-(S-N)가 되어 서로 밀어낸다. 따라서, 전류-반송선들 사이에 작용하는 힘은 자기장에 배치된 N극과 S극에 작용하는 힘과 동일한 원리임을 확인할 수 있다.

자, 이제 우리가 처음에 이야기했던 '솔레노이드' 자석 위에 떠 있는 개구리로 돌아가 봅시다. 철분말과 같은 상자성 물질1)은 자석을 가까이 가져가면 자기장 방향과 같은 방향으로 N극이 있는 자석이 된다. 그러나 물, 구리, 흑연과 같은 물질은 N극이 자기장의 방향과 반대 방향으로 향하기 때문에 반자성 물질이라고 불린다. 살아있는 유기체를 구성하는 단백질, 유기물, 플라스틱은 모두 반자성 물질에 속한다. 그러나 이러한 반자성 성질은 너무 작아서 적당한 강도의 자석으로는 효과를 보기 어렵다. 자석에 개구리를 띄우려면 지구 자기장의 32만배에 달하는 최소 16테슬라(T)의 자기장이 필요하다. 이런 자기장을 만들려면 소형 수력발전소의 발전용량과 맞먹는 4메가와트의 전력이 필요하다. 사실, 이 전력의 대부분은 코일의 저항에 의해 소비된다. 자석에 개구리가 아닌 사람을 띄우고 싶다면 적어도 40테슬라 정도의 자기장을 만들어야 한다. 그것은 개구리보다 천 배나 더 많은 힘을 필요로 한다. 이것은 현재의 기술로는 어렵다.