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1. 자석과 자기력
1.1. 자석의 정의와 종류
1.1.1. 자석의 정의
자석이란 자력을 가지고 있어 쇳조각 등을 끌어당기거나 전류에 작용을 미치는 성질을 가진 물체를 말한다. 자석은 외부자기장에 의한 자성에 따라 일시자석과 영구자석으로 구분된다. 일시자석은 외부자기장을 제거하면 자성이 없어지지만, 영구자석은 일단 자성을 가지면 외부자기장을 제거해도 장기간 자성을 유지한다. 자석의 자성은 자석을 구성하는 원자의 전자들이 가지고 있는 자기적 성질에 기인한다. 원자 내부에서 전자들은 핵을 중심으로 회전하면서 자전하는데, 이러한 전자의 자전 운동이 미시적인 자기모멘트를 발생시킨다. 대부분의 원자에서는 이러한 자기모멘트들이 서로 상쇄되어 자성이 나타나지 않지만, 철, 니켈, 코발트 등의 원소에서는 일부 원자의 자기모멘트가 상쇄되지 않고 남아 강한 자성을 가지게 된다. 이러한 원자의 자성이 거시적으로 나타나면서 자석이 되는 것이다.
1.1.2. 자석의 종류
1.1.2.1. 페라이트 자석
페라이트 자석은 망간, 코발트, 니켈 등의 산화물과 철로 만든 자석이다. 비교적 온도에 대한 안정성이 높은 편이다. 페라이트 자석은 스피커나 모터, 텔레비전 등의 전자 공업 분야에 널리 사용된다. 이러한 페라이트 자석은 값이 싸고 자화가 잘 되어 자성이 강한 편이지만 자기력의 세기가 다른 영구자석들에 비해 약한 편이다. 하지만 일반적인 용도에 충분한 자기력을 갖추고 있어 많이 사용되고 있다. 비용이 저렴하고 자성이 안정적이라는 장점을 가지고 있어 전자기기 및 전자 부품 등에 폭넓게 활용되고 있다.
1.1.2.2. 네오디뮴 자석
네오디뮴 자석은 네오디뮴(Nd), 철(Fe), 붕소(B)를 주요 성분으로 하는 자석이다. 네오디뮴 자석은 희토류 자석 중 하나로, 페라이트 자석에 비해 강력한 자기장을 가지고 있다.
네오디뮴 자석은 1982년에 처음 개발되었다. 이전에 널리 사용되었던 알니코 자석보다 자기 에너지 적분(BH max) 값이 월등히 높아 더 강력한 자기력을 발생시킬 수 있다. BH max값이 알니코 자석의 약 5배에 달하는 네오디뮴 자석은 크기 대비 자기력이 매우 강하기 때문에 다양한 분야에서 활용되고 있다.
특히 네오디뮴 자석은 소형화와 경량화가 가능하여 소형 전자기기에 많이 사용된다. 스피커, 전동기, 발전기, 자기 부상 열차, MRI 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 또한 자기 치료기, 장난감, 생활 용품 등 다양한 용도로 활용되고 있다.
네오디뮴 자석의 단점은 부식에 약하다는 것이다. 공기 중에 노출되면 빨리 산화되어 자기력이 저하되므로 표면처리를 통해 부식을 막아야 한다. 또한 자기장이 강해 주변 기기에 영향을 줄 수 있어 주의가 필요하다.
전반적으로 네오디뮴 자석은 기존 자석에 비해 월등한 자기력을 가지고 있어 많은 분야에서 활용되고 있으며, 앞으로도 더 발전할 것으로 전망된다.
1.1.2.3. 전자석
전자석은 전기가 흐르는 코일에 철심이 있어 자기장이 발생하는 자석을 말한다. 전자석은 전류를 흘려줌으로써 자성을 나타내는 일시자석이다. 즉, 전류가 흐르는 동안에만 자기장이 형성되며, 전류를 차단하면 철심이 자성을 잃는다. 따라서 전자석은 영구자석과 달리 전류의 세기를 조절하여 자기장의 세기를 변화시킬 수 있다는 장점이 있다.
전자석의 원리는 전류가 흐르는 도선 주위에 자기장이 형성된다는 것이다. 전류를 도선에 흘리면 도선 주변에 자기력선이 생기고, 이 자기력선이 철심을 자화시켜 자석과 같은 성질을 나타낸다. 전자석의 자기장 세기는 코일의 턴수와 전류의 세기에 비례한다.
전자석은 전류의 on/off 또는 전류의 세기 조절을 통해 자기장 세기를 손쉽게 제어할 수 있다는 장점이 있어 다양한 분야에서 활용된다. 예를 들어 전화기의 수화기, 모터, 발전기, 선풍기 등에 전자석이 사용되며, 의료 분야에서도 MRI 장비에 전자석이 사용된다. 또한 입자 가속기에서 입자를 가속시키는 데 전자석이 사용되기도 한다.
전자석은 전류의 공급 여부에 따라 자성이 나타나고 사라지므로, 영구자석에 비해 자기장 세기를 손쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다. 이러한 특성으로 인해 전자석은 다양한 산업 분야에서 폭넓게 활용되고 있다.
1.2. 자기력의 개념
1.2.1. 자기력의 정의
자기력은 자석의 두 극 사이에 작용하는 힘으로, 서로 다른 극(N극과 S극) 사이에는 인력이 작용하고 같은 극(N극과 N극, S극과 S극) 사이에는 척력이 작용한다. 자기력은 자극의 세기에 비례하며, 자석 사이의 거리가 멀어질수록 약해진다. 자기력은 자력(磁力)이라고도 한다. 자기력...
