자기(MAGNETIC FORCE)

지금까지는 전기의 기초지식에 대해 살펴보았다. 이번 호에는 자기에 대해 알아본다. 전기와 자기는 입자의 운동에 의해 발생되는 에너지원으로 상호 밀접한 관계를 가지고 있어 전기를 논할 때는 자기를 반드시 논하지 않을 수 없다. 따라서 전기와 자기의 밀접한 관계 때문에 전기를 배우는 사람들은 때때로 어려움을 호소하기도 한다

김민복 【현대자동차 남부정비연수원】

●자석(MAGNET)
먼저 자석에 대해 살펴보도록 하자.
현재 자석은 공업적으로 초전도용으로 사용할 수 있는 자석, 의료용으로 실용화해 사용하고 있는 단층화상투영장비(NMR), 자동차용으로 사용하고 있는 수온 스위치, 컴퓨터용으로 사용하고 있는 콤팩트 디스크는 극소 자석의 분말을 사용하는 등 여러 가지 용도로 사용하고 있다.
자석은 자연에 자기(MAGNETIC FORCE)를 갖고 있는 자철광 외에 인공적으로 만든 나침반의 자침, 말굽 자석, 막대 자석 등이 있다. 자석이 철편을 흡인하는 성질을 자성이라 말하고, 철편을 흡인하는 작용을 자기(MAGNETIC FORCE)라 부른다.
자기는 <그림 1>과 같이 자석에 철분을 뿌리면 자석 끝 부분에 모이는 것을 알 수 있다. 이것은 자석이 자기의 세기가 자석양단 끝 부분에 분포되어 있기 때문인데 자석이 무엇보다도 강한 부분을 자극이라 부른다.
자석에 있어 자극을 명확히 구분하는 것은 대단히 어려운 부분이 있다. 그렇지만 <그림 2>와 같이 자기의 세기 분포를 조사함에 따라 자극이 존재하고 있는 P와 P′에 자기의 세기가 가장 센 것을 알 수 있다.
또한 나침반의 자침이 남쪽을 가리키는 쪽을 자침의 S극, 북쪽을 가리키는 쪽을 N극이라 부른다. 나침반의 자침과 같이 자석은 N극으로부터 S극으로 자기의 힘을 갖고 있는 무엇인가 눈에 보이지 않는 선이 나와 들어가고 있다고 생각해 이것을 자력선이라 부르고 있다.
자력선은 눈에 보이지 않지만 <그림 3>에 나타낸 것과 같이 자석 위에 엷은 종이를 언져 철분가루를 뿌리면 철분가루는 N극과 S극간에 그림에 나타난 것처럼 자력선을 투영해 낼 수 있다. 이와 같이 자력선이 미치는 힘의 공간을 자장 또는 자계라 부른다.

☞ 참고
자석이 마그네트(MAGNET)라고 불리는 것은 옛날 그리스의 마그네시아라는 지방에서 산출하는 자철광이라는 광물이 자연 상태에서 철편을 흡인하는 불가사이의 힘을 갖고 있는 것 때문에 이 광물을 산출하는 마그네시아라는 지명을 따 마그네트라고 불리게 되었다.

※ 자력선의 성질
① 자력선은 N극에서 나와 S극으로 들어간다
② 자극의 세기가 큰 만큼 거기서 나오는 자력선은 많다
③ 자력선의 밀도가 큰 만큼 자기는 강하다
④ 자력선은 고무줄과 같은 장력을 가지고 있다

●자기변태 현상
철이 상온인 경우 자석이 잘 흡인한다는 것은 누구나 잘 알고 있다. 그러나 철의 온도를 점점 올리면 어느 온도에서 갑자기 자석에 철이 흡인되지 않아 버리게 된다. 이 온도는 철의 종류에 따라 다르지만 약 770℃ 부근이다. 이와 같이 급격히 자석에 흡인되지 않는 현상을 자기변태 현상이라 한다. 또한 이 온도를 자기변태점 또는 큐리점이라고도 한다.
철의 산화물을 성분으로 한 물질을 소결해 놓은 소결물을 페라이트라고 부르는데 자석재료로 우수한 특성을 가지고 있어 이 페라이트는 자기변태점이 약 80℃ 부근이다. 따라서 최근에는 자동차의 수온센서(수온 스위치)로도 많이 사용하고 있다.(그림 4 참조)
·자기변태 점을 이용한 센서가 어떻게 온도를 감지하는지?
<그림 5>는 수온 스위치의 구조로 중앙에 리드 스위치를 놓고 그 외주에는 원통형상의 영구자석과 원통형상의 페라이트를 넣은 것이다. 영구자석과 페라이트의 단면부분만을 확대하면 <그림 6, 7>과 같다.
<그림 6>은 상온 상태일 때를 표시한 것으로 저온 때 페라이트는 강자성체로 영구자석에 의해 잘 흡인되고 쉽게 자화가 되어 영구자석과 페라이트는 하나의 영구자석과 같은 역할을 하게 된다. 이 영구자석에 의해 리드 스위치 2개의 철편은 자력선의 방향에 따라 자화가 되어 리드 스위치 2개의 철편은 각각 N극과 S극으로 자화가 되어 리드 스위치는 흡인작용에 의해 리드 스위치 2개의 철편은 붙게 되는 것이다. 즉, 리드 스위치 접점은 ON상태가 되는 것이다.
<그림 7>은 고온 상태일 때를 표시한 것으로 온도가 상승해 자기변태 점(90℃) 이상이 되면 영구자석만 자석이 되고 페라이트는 자화되지 않아 영구자석의 자력선은 리드 스위치 2개의 철편을 같은 극으로 자화시켜 철편의 반발작용에 의해 접점은 떨어지게 되는 것이다.
이와 같은 페라이트 스위치는 자동차에서 전동 라디에이터의 팬 작동용으로 온도가 낮을 때에는 리드 스위치