1. 자석의 종류
가) 천연 자석과 인공 자석
철을 끌어당기는 광물인 자철석과 같이 자연적으로 만들어진 자석을 천연 자석이라고 한다. 한편 인공 자석인 영구 자석은 사람이 직접 만든 자석으로, 충격을 받거나 열을 가하지 않으면 철을 당기는 힘을 영원히 유지할 수 있는 자석을 말한다. 전자석은 전류가 흐를 때만 일시적으로 자석의 성질을 띠는 자석이다.
나) 물질에 따른 자석의 종류와 쓰임
페라이트 자석은 검은색을 띠고 있으며, 망간, 코발트, 니켈 등의 물질을 철에 섞어 구워 만든다. 깨지기 쉬운 단점이 있으나 보급형 자석으로 학습 교구 또는 장식품의 부품으로 많이 쓰인다. 알니코 자석은 알루미늄, 니켈, 코발트를 주원료로 만든다. 내구성이 매우 강하고 온도 안정성이 우수하여 스피커, 전동기, 발전기 등에 사용된다. 영구 자석 중 가장 강한 자석인 네오디뮴 자석은 은색이며 희토류 원소로 만들어진다. 주로 마이크, 확성기, 이어폰, 컴퓨터 하드 디스크 등에 사용되며 공업용, 의료용, 산업용 등 여러 분야에서 사용된다. 이처럼 자석의 부피는 작지만 강력한 자기장이 필요한 곳에 특수 목적으로 많이 쓰인다. 고무 자석과 플라스틱 자석은 페라이트 가루를 고무나 플라스틱에 혼합하여 만든다. 고무나 플라스틱과 같이 유연하고 신축성이 좋으며 칼이나 가위로도 쉽게 원하는 모양으로 재단이 가능하므로 교육용 교재, 장난감 등에 쓰인다.
2. 자석의 힘
가) 자기력
자기력은 자성을 띠는 물체 사이(자석과 자석 또는 자석과 철로 된 물체 등)에 작용하는 힘으로, 자석의 다른 극 사이에는 서로 끌어당기는 힘(인력)이 작용하고 자석의 같은 극 사이에는 서로 밀어내는 힘(척력)이 작용한다. 이러한 인력과 척력의 크기는 거리가 멀어질수록 약해진다.
나) 자기장과 자기력선
자기장은 자석 주위와 같이 자기력이 작용하는 공간으로, 자기장의 세기는 자석의 극에서 가장 세고, 자석으로부터 멀어질수록 약해진다. 또한 자기장의 방향은 자석 주위에 나침반을 놓았을 때 나침반 바늘의 N극이 가리키는 방향이다. 자기력선은 눈에 보이지 않는 자기장의 모습을 선으로 나타낸 것으로, 자기력선을 이용해 자기장의 세기와 방향을 알 수 있다. 자기력선의 간격이 촘촘할수록 자기장이 세므로, 자석의 양쪽 끝부분(N극, S극)에서는 자기력선이 촘촘하다. 또한 자기력선의 방향은 자기장의 방향과 같으므로 항상 자석의 N극에서 나와 S극으로 들어간다.
3. 자기화(자화)
가) 자기화
자기화는 외부 자기장의 영향으로 원자 자석들이 일정한 방향으로 정렬되는 현상이다. 물체의 자기화는 물체를 구성하는 원자 자석들의 배열 변화에 관련된다.
나) 외부 자기장에 대한 자성체의 반응 차이에 따른 분류
반자성체란 강한 자석에 가까이하면 약하게 밀어내는 힘이 작용하는 물질로, 외부 자기장이 사라지면 자기화된 상태가 바로 사라진다. 구리, 납, 금, 은, 물, 나무, 플라스틱 등이 반자성체에 해당한다. 상자성체는 강한 자석에 가까이하면 약하게 끌어당기는 힘이 작용하는 물질로, 약하게 자기화되었다가 외부 자기장이 사라지면 반자성체와 같이 자기화된 상태가 바로 사라진다. 알루미늄, 종이, 산소 등이 상자성체에 해당한다. 강자성체는 자석에 가까이하면 강하게 끌려오는 물질로, 외부 자기장을 가하면 강하게 자기화되고 외부 자기장이 사라져도 자기화된 상태를 오랜 시간 유지한다. 철, 코발트, 니켈, 산화철 등이 강자성체에 해당한다.
4. 자석이 물체를 끌어당기는 힘
자석이 철로 된 물체를 끌어당기는 힘은 두 물체가 접촉하지 않은 상태에서도 작용하며, 힘의 크기는 거리의 제곱에 반비례한다. 자석과 철로 된 물체 사이에 철이 아닌 종이, 비닐, 유리, 알루미늄 등의 물질로 된 판이 있어도 끌어당기는 힘은 작용한다.
5. 자석의 극
자석의 N극과 S극은 동전의 양면과 같이 두 개의 극이 항상 같이 존재한다. 즉, 한쪽이 N극이면 반대쪽은 S극이 된다. 자석을 반으로 쪼개어도 각각 하나의 극을 가진 자석으로 나누어지는 것이 아니라 쪼개진 조각들이 다시 양쪽에 각각 N극과 S극을 가진 자석이 된다. 따라서 자석을 아무리 잘게 쪼갠다고 해도 N극과 S극으로 분리될 수 없다.
6. 자석을 보관하는 방법
자석을 보관할 때 서로 다른 극끼리 마주 보도록 두면 자석의 극이 바뀌는 것을 막을 수 있다. 또한 극 부분에 철 조각을 붙여 보관하면 자석 안의 작은 자석들이 질서 있는 상태를 계속 유지할 수 있어 훨씬 오랫동안 자석의 성질을 잃지 않을 수 있다.
7. 극의 위치를 다양하게 바꾼 자석
일반적으로 동전 모양 자석은 윗면과 아랫면이 극이다. 그러나 다른 방식으로 자기를 입히면 자석의 극의 위치가 다른 다양한 자석들을 만들 수 있다.
8. 나침반과 나침반 사이의 상호 작용
나침반 바늘은 자석의 성질을 가지고 있으므로 나침반을 관찰할 때 나침반끼리의 거리가 가까운 경우 일정한 방향을 가리키지 않고, 나침반 바늘의 극에 따라 상호 작용을 하게 된다. 따라서 나침반 바늘의 자기력이 미치는 범위를 고려해 각 나침반 사이의 거리가 너무 가깝지 않도록 배치해야 한다.
9. 극의 방향이 바뀐 나침반 고치는 방법
나침반 바늘의 빨간색 부분은 N극, 반대쪽은 S극이다. 하지만 주변에 센 자석을 가까이했거나 충격을 받았다면 나침반 바늘은 극의 방향이 바뀌기도 한다. 이때는 다른 영구 자석으로 나침반 바늘의 극을 바로 잡을 수 있다.
가) 고장 난 나침반 확인
자석의 N극을 가까이하면 나침반 바늘의 빨간색 부분, 즉 N극이 밀려나야 한다. 그렇지 않고 자석의 N극과 나침반의 바늘의 N극이 서로 끌어당겼다면, 나침반 바늘의 N극이 S극으로 자기화된 상태이므로 자석의 입자를 반대 방향으로 정렬해야 한다.
나) 나침반 고치는 방법
자석의 N극과 나침반 바늘의 N극이 서로 끌어당기는 상태라면, 나침반 바늘의 빨간색 부분과 자석의 N극이 붙은 상태에서 더 센 자석의 N극을 나침반 바늘의 빨간색 부분 반대쪽에 댄다.
다) 고쳐진 나침반 확인
다시 자석의 N극을 나침반에 가까이했을 때 나침반 바늘의 빨간색 부분을 밀어냈다면 나침반의 극을 바로잡은 것이다.