1. 자석의 발견
자석은 영어로 마그넷(magnet)이라고 하며, 마그넷이라는 용어의 기원은 두 가지 설이 있다. 먼저, 마그네스라는 목동이 산에서 철이 땅에 달라붙는 것을 보고 천연 자석을 발견하였으며, 목동의 이름을 따서 자석을 마그넷이라고 부르게 되었다고 한다. 또 다른 설은 쇠를 끌어당기는 돌이 마그네테스족의 나라(마그네시아)에서 처음 발견되었으며, 그 지역의 이름을 따서 그리스인들이 마그넷이라고 부르게 되었다고 한다.
2. 자기장과 자성
자기력이 작용하는 공간을 자기장이라고 하고, 물질이 나타내는 자기적 성질을 자성이라고 한다. 자기장에 반응하는 유형에 따라 자성은 강자성, 상자성, 반자성으로 구분된다. 강자성은 주변에 자석이 있을 때 자석의 자기장 방향과 같은 방향으로 물질 내부에 강한 자기장이 형성된다. 철, 니켈, 코발트 등이 강자성을 지닌다. 상자성은 내부에 생기는 자기장의 방향이 강자성과 같으나 매우 약하며, 산소, 알루미늄, 나트륨 등이 상자성을 지닌다. 반자성은 자석에 의한 자기장과 반대 방향으로 내부에 자기장이 약하게 생기는 경우이다. 이때 자석과 반자성체는 서로 미는 힘이 작용하며, 구리, 납, 수은, 질소 등이 반자성을 지닌다.
3. 자석
자석은 자석 주위에 자기장을 형성하고 다른 물체와 자기적으로 상호 작용하는 물체이다. 학생들에게는 ‘자석이 철을 끌어당기고, 자석과 자석 사이에 서로 밀어내거나 끌어당기는 성질을 가진 물체’라고만 설명하도록 한다.
4. 재질에 따른 자석의 종류
•페라이트 자석: 망가니즈, 코발트, 니켈 등의 산화물과 철로 만든 자석으로, 전자 공업에 널리 쓰인다. 스피커, 이어폰, 자기 헤드, 전동기 등에 사용된다.
•알니코 자석: 알루미늄, 니켈, 코발트, 철의 합금으로 만든 자석으로, 가장 광범위하게 사용되는 영구 자석이다. 정밀도가 요구되는 경우에 많이 사용된다.
•희토류 자석: 희토류 광물을 주재료로 만든 자석이다. 네오디뮴 자석은 희토류 자석 중 하나로, 현재 가장 강력한 자석을 만들 수 있다. 네오디뮴 자석은 작은 크기라도 손에 심각한 상처를 줄 수 있으므로 주의해야 한다. 또한 네오디뮴 자석을 보관할 때는 두 개의 자석 사이에 플라스틱 조각을 끼워 보관한다. 소형전동기나 가방의 잠금장치 등에 많이 사용된다.
5. 자석과 철로 된 물체 사이에 끌어당기는 힘이 작용하는 까닭
자석과 자석에 붙는 철로 된 물체는 내부에 작은 자석을 가지고 있다. 자석 내부에는 작은 자석들이 한 방향으로 정렬되어 있지만, 자석에 붙는 철로 된 물체 내부에는 작은 자석들이 흐트러져 제각기 다른 방향을 가리키고 있다. 자석에 붙는 철로 된 물체에 자석을 가까이 가져가면 철로 된 물체 내부의 작은 자석들이 가까이 있는 자석에 의한 자기장의 영향으로 한 방향으로 늘어서게 된다. 이렇게 되면 자석에 붙는 철로 된 물체도 순간적으로 자석의 성질을 띠기 때문에 가까이 한 자석과 서로 인력이 작용한다.
6. 자석의 극
자석의 극은 자석의 자기장에서 가장 자성이 센 부분으로 자석의 양쪽 끝부분이다. 자석의 극을 ‘자극’이라고도 하며, 자석에 클립과 같이 철로 된 물체를 붙여 보면 가운데에는 잘 붙지 않고 양쪽 끝에 많이 붙는 것을 볼 수 있다. 학생들에게는 자석의 극은 ‘자석에서 철로 된 물체가 가장 많이 붙는 부분’이라고만 설명한다. 자석의 극은 항상 두 개, 즉 N극과 S극으로 존재한다. 따라서 자석을 아무리 작게 쪼개도 자석마다 항상 N극과 S극이 있으며, N극과 S극은 독립적으로 존재하지 않는다.
7. 물에 띄운 막대자석이 북쪽과 남쪽을 가리키는 까닭
물에 띄운 막대자석이 항상 북쪽과 남쪽을 가리키는 까닭은 지구가 하나의 커다란 자석이기 때문이다. 하나의 커다란 자석과 같은 지구는 지구 주위에 자기장을 만든다. 지구의 자기장 방향은 남극 쪽이 N극이고 북극 쪽이 S극이다. 그러므로 물에 띄운 막대자석이나 공중에 매단 막대자석의 N극은 북쪽을 가리키고 S극은 남쪽을 가리킨다.
8. 나침반 사용법
❶ 평평한 곳에 나침반을 놓는다.
❷ 나침반 바늘이 움직이다가 멈출 때까지 기다린다.
❸ 나침반 바늘이 멈춘 후에 나침반 바늘의 N극(빨간색 부분)이 가리키는 방향이 북쪽이다.
❹ ❸의 나침반을 돌려 나침반 바늘의 N극이 가리키는 방향과 나침반에 적힌 북쪽을 일치시킨다.
9. 자기화
자석이 아닌 물체가 자석의 성질을 띠게 되는 것을 자기화라고 한다. 그림과 같이 철과 같은 강자성체는 외부 자기장이 없을 때 작은 자석들이 여러 방향으로 정렬되어 있다. 그런데 강자성체에 외부 자기장을 가하면 작은 자석들이 일정한 방향으로 배열하게 되어 자석의 성질을 띠게 된다. 다시 외부 자기장이 없어지면 작은 자석들이 흐트러지기 시작하지만, 자성은 오래 유지된다.
10. 자석으로 머리핀을 문질러서 자석의 성질 띠게 하기
막대자석의 한쪽 극을 머리핀에 한쪽 방향으로 문질러서 머리핀이 자석의 성질을 띠게 할 수도 있다. 예를 들어 막대자석의 N극을 머리핀의 둥근 쪽에서 뾰족한 쪽으로 여러 번 문지르면 머리핀 내부의 작은 자석들의 S극이 머리핀의 뾰족한 부분 쪽으로 배열하게 된다. 따라서 머리핀의 둥근 부분은 N극으로 자기화되고, 머리핀의 뾰족한 부분은 S극으로 자기화된다.
11. 자석의 극 사이에 작용하는 힘
자석의 같은 극끼리는 서로 밀어내는 힘이 작용하고, 다른 극끼리는 끌어당기는 힘이 작용한다. 이러한 자석 사이에 작용하는 힘은 자석 주위에 철 가루를 뿌려 보면 알 수 있다. 두 자석을 같은 극끼리 놓고 자석 주변에 철 가루를 뿌려 보면 극과 극 사이의 철 가루가 서로 밀어내는 모양으로 배열되는 것을 볼 수 있다. 두 자석을 다른 극끼리 놓고 자석 주변에 철 가루를 뿌려 보면 극과 극 사이의 철 가루가 부드럽게 연결되는 것을 볼 수 있다. 이렇게 철 가루 모양을 보고 자석의 극 사이에 작용하는 힘을 유추해 볼 수도 있다.
12. 고장 난 나침반을 고치는 방법
나침반 주변에 센 자석을 가까이 가져가거나 바늘에 녹이 슬거나 강한 충격을 받으면 나침반이 고장 날 수 있다. 막대자석으로 고장 난 나침반을 고치는 방법은 다음과 같다.
❶ 막대자석의 N극을 고장 난 나침반 바늘의 N극(나침반 바늘의 빨간색 부분)에 댄다.
❷ 다른 막대자석의 N극을 고장 난 나침반 바늘의 S극에 댄다.
❸ ❶의 막대자석 N극을 뗀 뒤, 막대자석의 S극을 고장 난 나침반 바늘의 N극에 천천히 가져간다.
❹ 고장 난 나침반 바늘의 S극에는 막대자석의 N극을 대고 고장 난 나침반 바늘의 N극에는 막대자석의 S극을 가까이 한 채, 양손에 잡고 있는 막대자석을 이용해 나침반 바늘을 좌우로 5초 정도 움직이게 한다.
❺ 스마트폰의 나침반 애플리케이션이나 고장 나지 않은 나침반으로 고장 났던 나침반의 바늘이 제대로 된 방향을 가리키는지 확인한다.