자석은 어떻게 극성을 띄게 되는것일까?

1. 자석의 근원 전자는 그 자체로 초미니 자석이다#

세상의 모든 물질은 원자로 이루어져 있고, 원자 주변에는 전자($-$)들이 돌고 있다. 여기서 중요한 물리적 현상이 발생한다. 전자는 단순히 중심축을 돌기만 하는 것이 아니라, 스스로 팽이처럼 도는 ‘스핀(Spin)’ 행동을 한다.

물리학에서 전하를 가진 알갱이가 회전하면 그 주변에 미세한 자기장이 형성된다. 즉, 전자 한 개 한 개가 사실은 아주 아주 작은 ‘초미니 자석’인 셈이다.

• 일반 철과 자석의 차이: 일반 철 못 안에도 수억 개의 전자 자석들이 존재한다. 하지만 이들은 무질서하게 사방팔방으로 흩어져 있어 서로의 자력을 상쇄시킨다. 전체 합이 $0$이 되는 것이다.

• 자석의 구조: 반면 영구자석은 내부의 수많은 전자 자석들이 일제히 한 방향을 바라보고 정렬해 있다. 이 미세한 자력들이 도미노처럼 합쳐져 거대한 하나의 자기장을 만들어낸 것이 우리가 아는 자석이다.

2. N극과 S극은 어떻게 나뉘는가?#

자석을 반으로 쪼개면 N극 토막과 S극 토막으로 분리될까? 절대 불가능하다. 자석을 아무리 잘게 부수어도 쪼개진 파편은 다시 각각 N극과 S극을 가진 완벽한 자석이 된다.

그 이유는 앞서 말했듯 내부의 전자들이 모두 한 방향으로 정렬해 있기 때문이다.

• 자기장은 전자의 스핀 방향에 의해 ‘어느 한쪽에서 흘러나와 반대편으로 들어가는 흐름’을 형성한다.

• 이때 자기장의 흐름이 시작되어 뿜어져 나오는 지점을 ‘N극(North)’, 회전하여 다시 자석 내부로 빨려 들어가는 지점을 ‘S극(South)‘이라고 이름 붙인 것뿐이다.

즉, N극과 S극은 독립된 물질적 알갱이가 아니라, 자기장이라는 거대한 소용돌이의 ‘입구’와 ‘출구’에 불과하다.

3. N극이 전자($-$)이고 S극이 양성자($+$)인가?#

“전기와 자기는 밀접하지만, 성질의 규격이 다르다. 전자는 전하($-$)의 주인이고, 자성은 그 전자가 ‘움직일 때’ 생기는 가상의 힘이다.”

많은 이들이 자석의 N/S극을 전기의 $+/-$극과 동일시하는 오류를 범한다. 하지만 이 둘은 엄연히 다른 물리량이다.

결론적으로 자석의 N극도 전자가 만든 것이고, S극도 전자가 만든 것이다. 자석 내부의 전자들이 단체로 오와 열을 맞춰 서 있는 구조 덕분에, 한쪽 면은 자기장의 출발점(N극)이 되고 반대쪽 면은 도착점(S극)이 될 뿐이다.

함께보면 좋은 글#

• 전기의 생산과 활용 프로세스 노트북으로 알아보기
• 리튬 이온 배터리가 전기를 저장할 수 있는 이유