자석의 작동 원리

우리가 액체 방탄복 에 대한 시연을 위해 자석을 사러 갔을 때 모든 것이 시작되었습니다 . 우리는 자기장이 특정 액체를 고체처럼 행동하게 할 수 있다는 것을 보여주고 싶었습니다. 우리가 필요로 하는 페트리 접시와 철 조각과 함께 Steve Spangler Science 카탈로그에는 "초강력"이라고 묘사된 네오디뮴 자석이 있었습니다. 우리는 자석이 필름에 캡처할 수 있는 효과를 생성할 수 있을 만큼 충분히 강력하기를 바라며 소모품을 주문했습니다.

자석은 우리의 철과 기름 액체를 고체로 변형시킬 뿐만 아니라 때로는 액체를 끌어당겨 그것을 잡고 있는 페트리 접시에 금이 ​​갔습니다. 한번은 자석이 예기치 않게 비디오그래퍼의 손에서 날아가서 제거하는 데 상당한 독창성이 요구되는 마른 가루로 가득 찬 접시에 들어갔습니다. 그것은 또한 금속 탁자의 밑면에 너무 단단하게 달라붙어 우리가 그것을 회수하기 위해 한 쌍의 잠금 플라이어를 사용해야 했습니다. 테이크 사이에 자석을 주머니에 넣어 두는 것이 더 안전하다고 결정했을 때 사람들은 잠시 테이블, 사다리, 스튜디오 문에 달라붙었습니다.

사무실 주변에서 자석은 호기심의 대상이자 즉석 실험의 대상이 되었다. 그 무시무시한 힘과 부주의한 그립에서 가장 가까운 금속 표면으로 갑자기 시끄럽게 점프하는 경향은 우리를 생각하게 했습니다. 우리 모두는 자석과 자기의 기본을 알고 있었습니다. 자석은 특정 금속을 끌어당기고 북극과 남극 을 가지고 있습니다 . 반대 극은 서로 끌어당기는 반면 극은 밀어냅니다. 자기장과 전기장은 서로 연관되어 있으며, 자기는 중력 , 강한 원자력 과 약한 원자력 과 함께 우주의 4대 기본 힘 중 하나입니다.

그러나 그러한 사실들 중 어느 것도 우리의 가장 기본적인 질문에 대한 답으로 이어지지 않았습니다. 자석이 특정 금속에 달라붙게 만드는 것은 정확히 무엇입니까? 추가로, 다른 금속에 달라붙지 않는 이유는 무엇입니까? 위치에 따라 서로를 끌어 당기거나 밀어내는 이유는 무엇입니까? 그리고 무엇이 네오디뮴 자석을 우리가 어린 시절 가지고 놀던 세라믹 자석보다 훨씬 더 강하게 만드는가?

이러한 질문에 대한 답을 이해하려면 자석에 대한 기본 정의를 갖는 것이 도움이 됩니다. 자석은 자기장 을 생성 하고 철, 니켈 및 코발트 와 같은 금속을 끌어당기는 물체입니다 . 자기장의 힘의 라인 출구 북쪽 극의 자석과는 남극을 입력합니다. 영구 또는 단단한 자석은 항상 자체 자기장을 생성합니다. 임시 또는 연성 자석은 자기장이 있는 동안 자기장을 생성하고 자기장에서 나온 후 잠시 동안 자기장을 생성합니다. 전자석 은 전기 가 와이어 코일을 통해 이동할 때만 자기장을 생성합니다 .

최근까지 모든 자석은 금속 원소 또는 합금 으로 만들어졌습니다 . 이 재료는 서로 다른 강도의 자석을 생산했습니다. 예를 들어:

내용물

1. 자석 만들기: 기본 사항
2. 자석 만들기: 세부 사항
3. 자석이 붙는 이유
4. 자석 신화

오늘날 많은 전자 장치가 작동하려면 자석이 필요합니다. 자석에 대한 이러한 의존은 비교적 최근의 일입니다. 왜냐하면 대부분의 최신 장치에는 자연에서 발견되는 것보다 더 강한 자석이 필요하기 때문입니다. 천연 자석 의 형태 마그네타이트가 최강 자연 발생 자석이다. 종이 클립 및 스테이플과 같은 작은 물체를 끌 수 있습니다.

12세기에 사람들은 자화석을 사용하여 철 조각을 자화시켜 나침반을 만들 수 있다는 것을 발견했습니다 . 철 바늘을 따라 한 방향으로 반복적으로 마석을 문지르면 바늘이 자화됩니다. 그런 다음 매달렸을 때 남북 방향으로 정렬됩니다. 결국, 과학자 William Gilbert는 자화 바늘의 남북 정렬은 북극과 남극이 있는 거대한 자석처럼 지구가 행동하기 때문이라고 설명했습니다.

나침반 바늘은 오늘날 사용되는 많은 영구 자석만큼 강하지 않습니다. 그러나 나침반 바늘과 네오디뮴 합금 덩어리를 자화시키는 물리적 과정은 본질적으로 동일합니다. 철, 코발트 및 니켈과 같은 강자성 물질 의 물리적 구조의 일부인 자구로 알려진 미세한 영역에 의존합니다 . 각 도메인은 본질적으로 북극과 남극이 있는 자그마한 자석입니다. 자화되지 않은 강자성 물질에서 각각의 북극은 임의의 방향을 가리킵니다. 반대 방향으로 배향된 자구는 서로 상쇄되므로 재료는 순 자기장을 생성하지 않습니다.

반면에 자석에서는 대부분 또는 모든 자구가 같은 방향을 가리킵니다. 서로를 상쇄하기보다는 미세한 자기장이 결합하여 하나의 큰 자기장을 생성합니다. 동일한 방향을 가리키는 도메인이 많을수록 전체 필드가 ​​더 강해집니다. 각 도메인의 자기장은 북극에서 앞서 있는 도메인의 남극으로 확장됩니다.

이것은 자석을 반으로 나누면 북극과 남극이 있는 두 개의 작은 자석을 만드는 이유를 설명합니다. 또한 반대 극이 끌어당기는 이유도 설명합니다. 자기장 라인은 한 자석의 북극을 떠나 자연스럽게 다른 자석의 남극으로 들어가 본질적으로 하나의 더 큰 자석을 만듭니다. 극은 서로 반대 방향으로 힘의 선이 이동하기 때문에 서로 밀어내는 것처럼 함께 움직이지 않고 서로 충돌합니다.

자석을 만들려면 금속 조각의 자구가 같은 방향을 가리키도록 하기만 하면 됩니다. 자석으로 바늘을 문지르면 일어나는 일입니다. 자기장에 노출되면 도메인이 정렬됩니다. 금속 조각에서 자구를 정렬하는 다른 방법은 다음과 같습니다.

이 방법 중 두 가지는 자연에서 어떻게 마석이 형성되는지에 대한 과학적 이론 중 하나입니다. 일부 과학자들은 자철석이 번개를 칠 때 자성이 된다고 추측합니다. 다른 사람들은 지구가 처음 형성되었을 때 자철석 조각이 자석이 되었다고 이론화합니다. 도메인은 지구의 자기장과 정렬되는 반면 산화철은 녹고 유연합니다.

오늘날 자석을 만드는 가장 일반적인 방법은 자기장에 금속을 배치하는 것입니다. 필드 는 재료에 토크 를 가하여 도메인이 정렬되도록 합니다. 필드 적용과 도메인 변경 사이에 히스테리시스로 알려진 약간의 지연 이 있습니다. 도메인이 이동하기 시작하는 데 몇 분 정도 걸립니다. 다음은 발생합니다.

결과 자석의 강도는 도메인을 이동하는 데 사용되는 힘의 양에 따라 다릅니다. 영구성 또는 유지성 은 도메인을 정렬하도록 권장하는 것이 얼마나 어려운지에 달려 있습니다. 자화하기 어려운 재료는 일반적으로 더 오랜 기간 동안 자성을 유지하는 반면, 자화하기 쉬운 재료는 종종 원래의 비자성 상태로 되돌아갑니다.

반대 방향으로 정렬된 자기장에 자석을 노출시켜 자석의 강도를 줄이거나 완전히 자기를 없앨 수 있습니다. 또한 물질을 퀴리점 이상으로 가열하여 자기를 소거할 수 있습니다 . 열은 재료를 왜곡하고 자성 입자를 여기시켜 도메인이 정렬에서 벗어나게 합니다.

배송 자석

크고 강력한 자석은 데이터 쓰기에서 와이어에 전류 유도에 이르기까지 다양한 산업 용도로 사용됩니다. 그러나 거대한 자석을 운송하고 설치하는 것은 어렵고 위험할 수 있습니다. 자석은 운송 중인 다른 품목을 손상시킬 뿐만 아니라 도착 시 설치가 어렵거나 불가능할 수 있습니다. 또한 자석은 제거하기 어렵고 위험할 수도 있는 일련의 강자성 파편을 수집하는 경향이 있습니다.

이러한 이유로 매우 큰 자석을 사용하는 시설에는 강자성 재료를 자석으로 전환할 수 있는 장비가 현장에 있는 경우가 많습니다. 종종 장치는 본질적으로 전자석입니다.

전자석이 작동하는 방식을 읽었다면 와이어를 통해 흐르는 전류가 자기장을 생성한다는 것을 알고 있습니다. 움직이는 전하가 영구 자석의 자기장에도 영향을 미칩니다. 그러나 자석의 장은 도선을 통해 이동하는 큰 전류에서 오는 것이 아니라 전자 의 움직임에서 옵니다 .

많은 사람들은 전자를 행성이 태양을 도는 방식으로 원자핵 을 도는 작은 입자로 상상 합니다. 현재 양자 물리학자들이 설명하고 있는 것처럼 전자의 움직임은 그보다 조금 더 복잡합니다. 기본적으로 전자는 원자의 껍질과 같은 궤도를 채우고 여기에서 입자와 파동으로 행동합니다. 전자는 전하 와 질량 을 가지고 있을 뿐만 아니라 물리학자 들이 위쪽 또는 아래쪽 방향 으로 회전 하는 것으로 설명하는 운동을 가지고 있습니다. 원자의 작동 원리 에서 전자에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다 .

일반적으로 전자는 쌍으로 원자의 궤도를 채웁니다 . 한 쌍의 전자 중 하나가 위쪽으로 회전하면 다른 전자가 아래쪽으로 회전합니다. 한 쌍의 두 전자가 같은 방향으로 회전하는 것은 불가능합니다. 이것은 Pauli 배제 원리 로 알려진 양자 역학 원리의 일부입니다 .

원자의 전자는 그리 멀리 움직이지 않지만 그 움직임은 작은 자기장을 생성하기에 충분합니다. 짝을 이룬 전자는 반대 방향으로 회전하기 때문에 자기장이 서로 상쇄됩니다. 반면에 강자성 원소의 원자에는 동일한 스핀을 가진 짝을 이루지 않은 전자가 여러 개 있습니다. 예를 들어, 철은 동일한 스핀을 가진 4개의 짝을 이루지 않은 전자를 가지고 있습니다. 그 효과를 상쇄하는 반대 필드가 없기 때문에 이 전자는 궤도 자기 모멘트를 갖습니다 . 자기 모멘트는 벡터 입니다. 크기와 방향이 있습니다. 자기장 강도와 자기장이 가하는 토크 모두와 관련이 있습니다. 전체 자석의 자기 모멘트는 모든 원자의 모멘트에서 비롯됩니다.

철과 같은 금속에서 궤도 자기 모멘트는 인접한 원자가 동일한 남북 자기장 선을 따라 정렬되도록 합니다. 철 및 기타 강자성 물질은 결정질입니다. 용융 상태에서 냉각됨에 따라 평행 궤도 스핀을 가진 원자 그룹이 결정 구조 내에 정렬됩니다. 이것은 이전 섹션에서 논의한 자기 도메인을 형성합니다.

좋은 자석을 만드는 물질은 자석이 끌어당기는 물질과 같다는 것을 눈치채셨을 것입니다. 이것은 자석이 같은 방향으로 회전하는 짝을 이루지 않은 전자를 가진 물질을 끌어 당기기 때문입니다. 즉, 금속을 자석으로 만드는 성질은 금속도 자석으로 끌어당긴다. 다른 많은 요소는 반자성입니다. 짝을 이루지 않은 원자는 자석을 약하게 밀어내는 장을 생성합니다. 일부 재료는 자석과 전혀 반응하지 않습니다.

이 설명과 기본 양자 물리학은 상당히 복잡하며, 이 설명 없이는 자기 인력에 대한 아이디어가 신비스러울 수 있습니다. 따라서 사람들이 역사의 상당 부분을 의심하면서 자성 물질을 봤다는 것은 놀라운 일이 아닙니다.

측정 자석

가우스 미터 와 같은 도구를 사용하여 자기장을 측정 할 수 있으며 수많은 방정식을 사용하여 설명하고 설명할 수 있습니다. 다음은 몇 가지 기본 사항입니다.

• 자력선 또는 플럭스 는 Webers(Wb) 로 측정됩니다 . 전자기 시스템에서 플럭스는 전류 와 관련이 있습니다.
• 필드의 강도 또는 플럭스 의 밀도는 Tesla(T) 또는 가우스(G) 로 측정됩니다 . 1 Tesla는 10,000가우스와 같습니다. 또한 평방 미터당 Webers 단위로 전계 강도를 측정할 수 있습니다 . 방정식에서 기호 B 는 전계 강도를 나타냅니다.
• 필드의 크기는 미터당 암페어 또는 에르스텟 단위 로 측정됩니다 . 기호 H 는 방정식으로 나타냅니다.

컴퓨터를 사용할 때마다 자석을 사용하고 있습니다. 하드 드라이브는 데이터를 저장하는 자석에 의존, 일부 모니터는 화면에 이미지를 만드는 자석을 사용합니다. 집에 초인종 이 있는 경우 전자석 을 사용하여 소음 발생기를 작동시킬 수 있습니다. 자석은 또한 CRT 텔레비전 , 스피커 , 마이크 , 발전기, 변압기, 전기 모터 , 도난 경보기 , 카세트 테이프, 나침반 및 자동차 속도계의 중요한 구성 요소입니다 .

자석은 실용적인 용도 외에도 수많은 놀라운 특성을 가지고 있습니다. 와이어에 전류를 유도 하고 전기 모터에 토크 를 공급할 수 있습니다 . 충분히 강한 자기장은 작은 물체나 작은 동물을 공중에 띄울 수 있습니다. 자기 부상 열차 는 자기 추진력을 사용하여 고속으로 여행하고 자기 유체는 로켓 엔진에 연료를 채우는 데 도움이 됩니다. 지구 로 알려진 '의 자기장, 자기장은 ,으로부터 자신을 보호하는 태양풍 . Wired 잡지에 따르면 일부 사람들은 손가락에 작은 네오디뮴 자석을 이식하여 전자기장을 감지할 수 있다고 합니다[출처: Wired ].

자기 공명 영상(MRI) 기계는 자기장을 사용하여 의사가 환자의 내부 장기를 검사할 수 있도록 합니다. 의사는 또한 펄스 전자기장을 사용하여 제대로 치유되지 않은 부러진 뼈를 치료합니다. 1970년대 미국 식품의약국(FDA)에서 승인된 이 방법은 다른 치료에 반응하지 않은 뼈를 수선할 수 있습니다. 전자기 에너지의 유사한 펄스는 장기간 무중력 환경에 있는 우주비행사의 뼈와 근육 손실을 예방하는 데 도움이 될 수 있습니다.

자석은 또한 동물의 건강을 보호할 수 있습니다. 소는 금속 물체를 삼켜 발생하는 외상성 망상심낭염 또는 하드웨어 질병 이라는 상태에 취약 합니다. 삼킨 물건은 소의 위장을 뚫고 횡격막이나 심장을 손상시킬 수 있습니다. 자석은 이러한 상태를 방지하는 데 중요합니다. 한 가지 방법은 금속 물체를 제거하기 위해 소의 음식 위에 자석을 통과시키는 것입니다. 다른 하나는 소에게 자석을 먹이는 것입니다. 소 자석으로 알려진 길고 좁은 알니코 자석, 금속 조각을 끌어당겨 소의 위장을 다치게 하는 것을 방지할 수 있습니다. 섭취한 자석은 젖소를 보호하는 데 도움이 되지만 먹이를 주는 영역에 금속 파편이 없도록 하는 것이 좋습니다. 반면에 자석은 사람의 장벽을 통해 서로 달라붙어 혈류를 차단하고 조직을 죽일 수 있으므로 절대 먹으면 안 됩니다. 인간의 경우 자석을 삼킨 경우 제거하기 위해 종종 수술이 필요합니다.

어떤 사람들은 다양한 질병과 상태를 치료하기 위해 자석 요법의 사용을 옹호합니다. 시술자들에 따르면 자기 안창, 팔찌, 목걸이, 매트리스 패드 및 베개는 관절염에서 암에 이르기까지 모든 것을 치료하거나 완화할 수 있습니다. 일부 옹호자들은 또한 자기화된 식수를 섭취하면 다양한 질병을 치료하거나 예방할 수 있다고 제안합니다. 미국인은 자기 치료에 연간 약 5억 달러를 지출하고 전 세계 사람들은 약 50억 달러를 지출합니다. [출처 : 비아 Winemiller NCCAM ].

지지자들은 이것이 어떻게 작동하는지에 대한 몇 가지 설명을 제공합니다. 하나는 자석이 혈액 속 헤모글로빈에 들어 있는 철을 끌어당겨 특정 부위로의 순환을 좋게 한다는 것이다. 다른 하나는 자기장이 주변 세포의 구조를 어떻게든 변화시킨다는 것입니다. 그러나 과학적 연구에서는 정적 자석의 사용이 통증이나 질병에 영향을 미친다는 것을 확인하지 못했습니다. 임상 시험에 따르면 자석으로 인한 긍정적인 이점은 실제로 시간의 경과, 자기 안창의 추가 쿠션 또는 위약 효과에서 비롯될 수 있습니다. 또한 식수에는 일반적으로 자화될 수 있는 요소가 포함되어 있지 않아 자성 식수에 대한 아이디어가 의심스럽습니다.

일부 지지자들은 또한 가정에서 경수를 줄이기 위해 자석을 사용할 것을 제안합니다. 제품 제조사에 따르면 대형 자석은 강자성 경수 광물을 제거하여 경수 스케일 수위를 낮출 수 있다고 합니다. 그러나 일반적으로 경수를 일으키는 광물은 강자성이 아닙니다. 2년에 걸친 Consumer Reports 연구에 따르면 유입되는 물을 자석으로 처리해도 가정용 온수기에 축적되는 스케일의 양은 변하지 않습니다.

자석이 만성 통증을 끝내거나 암을 제거하지는 않지만 여전히 연구하기에 매력적입니다.

자극

자석은 여러 개의 북극과 남극을 가질 수 있으며 이러한 극은 항상 쌍으로 발생합니다 . 대응하는 남극 없이 북극이 있을 수 없고 대응하는 북극 없이 남극이 있을 수 없습니다.

원래 게시: 2007년 4월 2일

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