자석의 작동 원리

자석의 작동 원리
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철 조각은 두 막대 자석의 동일한 극의 반대 필드를 아름답게 보여줍니다. Spencer Grant/Photographer’s Choice RF/Getty Images

당신은 아마 알고 있을 것입니다

    자석은 특정 금속을 끌어당기며 북극과 남극이 있습니다. 반대 극은 서로를 끌어 당기고 같은 극은 서로 밀어냅니다. 자기장과 전기장은 서로 연관되어 있으며, 자기는 중력, 강하고 약한 원자력과 함께 우주의 4대 기본력 중 하나입니다.
  • 그러나 그 어떤 사실도 가장 기본적인 질문에 대한 답을 주지 못합니다. 정확히 무엇이 자석을 특정 금속에 붙게 만드는가? ? 아니면 왜 다른 금속에 달라붙지 않습니까? 위치에 따라 서로를 끌어 당기거나 밀어내는 이유는 무엇입니까? 그리고 우리가 어렸을 때 가지고 놀았던 세라믹 자석보다 네오디뮴 자석이 훨씬 더 강한 이유는 무엇입니까?

    이러한 질문에 대한 답변을 이해하려면 자석에 대한 기본 정의를 갖는 것이 도움이 됩니다. 자석은 자기장을 생성하고 철, 니켈 및 코발트와 같은 금속을 끌어당기는 물체입니다. 자기장의 힘선은 자석의 북극에서 나와 남극으로 들어갑니다. 영구 또는 단단한 자석은 항상 자체 자기장을 생성합니다. 임시 또는 연성 자석은 자기장이 있는 동안과 자기장을 빠져 나온 후 잠시 동안 자기장을 생성합니다. 전자석은 전기가 와이어 코일을 통해 이동할 때만 자기장을 생성합니다.

    전자와 양성자는 작은 자석이기 때문에 모든 물질은 일종의 자기적 성질을 가지고 있습니다. 그러나 대부분의 물질에서 전자가 반대 방향으로 회전하는 방식은 원자의 자기 특성을 상쇄합니다. 금속은 자석을 제조하는 가장 일반적인 선택입니다. 일부는 단순한 금속으로 만들어지지만 합금이라고 하는 금속의 조합은 서로 다른 강도의 자석을 생성합니다. 예를 들어:

  • 페라이트 또는 세라믹 자석 : 냉장고 자석이나 초등학교 과학 실험에서 사용하는 것과 같습니다. 그들은 세라믹 복합 재료에 산화철 및 기타 금속을 포함합니다. 자철석 또는 자철석으로 알려진 세라믹 자석은 자연적으로 발견되고 발생하는 최초의 자성 물질입니다. 세라믹 자석은 오랫동안 사용되었지만 1952년까지 상업적으로 생산되지 않았습니다. 일반적이고 자성을 유지하지만 다른 유형의 자석보다 약한 자기장(에너지 제품으로 알려짐)을 갖는 경향이 있습니다. 자석.
  • 알니코 자석: 이들은 1930년대에 개발되었으며 알루미늄, 니켈 및 코발트로 만들어집니다. 그들은 세라믹 자석보다 강하지만 희토류로 알려진 종류의 원소를 포함하는 자석만큼 강하지 않습니다. 궤조.
  • 네오디뮴 자석: 여기에는 철, 붕소 및 희토류 원소인 네오디뮴이 포함되어 있으며 이 글을 쓰는 시점에서 상업적으로 이용 가능한 가장 강력한 자석입니다. 그들은 1980년대 General Motors Research Laboratories와 Sumitomo Special Metals Company의 과학자들이 연구를 발표한 후 처음 등장했습니다.
  • 사마륨 코발트 자석: 이들은 1960년대 데이턴 대학 연구 대학의 과학자들이 개발했으며 코발트와 희토류 원소 사마륨을 결합했습니다. 지난 몇 년 동안 과학자들은 자성 고분자 또는 플라스틱 자석. 이들 중 일부는 유연하고 성형 가능합니다. 그러나 일부는 극도로 낮은 온도에서만 작동하고 다른 일부는 철제 파일링과 같은 매우 가벼운 재료만 집어 올립니다.
  • 자석 만들기: 기본
    여기에서 볼 수 있는 은 자철석의 한 형태이며 가장 강한 자연 발생 자석입니다. 이 조각이 어떻게 작은 금속 조각을 끌어당기는지 주목하십시오. 위키미디어/(CC BY-SA 4.0)

    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 , 자철광

    의 형태 , 가장 강한 자연 발생 자석입니다. 종이 클립 및 스테이플과 같은 작은 물체를 끌 수 있습니다.

    12세기까지 사람들은 자화석을 사용하여 철 조각을 자화할 수 있다는 것을 발견하여 나침반. 철 바늘을 따라 한 방향으로 반복적으로 마석을 문지르면 바늘이 자화됩니다. 그런 다음 매달렸을 때 남북 방향으로 정렬됩니다. 결국, 과학자 William Gilbert는 자화 바늘의 남북 정렬이 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. 그것은 자기 영역으로 알려진 미세한 영역에 의존합니다. , 강자성 물질의 물리적 구조의 일부 철, 코발트 및 니켈과 같은. 각 도메인은 본질적으로 북극과 남극이 있는 자그마한 자석입니다. 자화되지 않은 강자성 물질에서 각 도메인의 북극은 임의의 방향을 가리킵니다. 반대 방향으로 배향된 자구는 서로 상쇄되므로 물질은 순 자기장을 생성하지 않습니다.

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

    이것은 자석을 반으로 나누면 북극과 남극이 있는 두 개의 더 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. 극이 서로 반대 방향으로 움직이기 때문에 서로 밀어내는 것처럼 함께 움직이지 않고 서로 충돌합니다.

    만들기 자석: 세부 정보

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

  • 강한 자기장을 남북 방향으로 배치

  • 북-남 방향으로 잡고 망치로 반복적으로 두드려 도메인을 물리적으로 흔들립니다. 약한 정렬
  • 전기 통과 그것을 통해 현재
  • 이 두 가지 방법은 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. 산화철이 녹고 유연할 때 도메인이 지구의 자기장과 정렬됩니다.

    오늘날 자석을 만드는 가장 일반적인 방법은 자기장에 금속을 배치하는 것입니다. 필드는 토크

    재료에서 도메인이 정렬되도록 권장합니다. 히스테리시스로 알려진 약간의 지연이 있습니다. , 분야의 적용과 도메인 변경 사이; 도메인이 이동하기 시작하는 데 몇 분 정도 걸립니다. 다음은 발생합니다:

  • 자기장이 회전하여 자기장의 남북선을 따라 정렬됩니다.

    이미 남북 방향을 가리키던 도메인이 커집니다. 주변 도메인이 작아짐에 따라.

  • 도메인 벽 또는 인접한 도마이 사이의 경계 ns, 도메인 증가를 수용하기 위해 물리적으로 이동합니다. 강한 자기장에서는 일부 벽이 완전히 사라집니다.

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

    자석에 정렬된 자기장에 자석을 노출시켜 자석의 강도를 줄이거나 완전히 자기를 소거할 수 있습니다. 반대 방향. 또한 물질을 퀴리점 이상으로 가열하거나 물체의 자기 특성이 변하는 온도 이상으로 가열하여 자기를 제거할 수도 있습니다. 열이 재료를 왜곡하고 자성 입자를 자극하여 도메인이 정렬에서 벗어나게 합니다.

    자석 신화

    컴퓨터를 사용할 때마다 자석을 사용하고 있습니다. 집에 초인종이 있는 경우 전자석을 사용하여 소음기를 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 유도하고 전기 모터에 토크를 공급할 수 있습니다. 자기 부상 열차는 자기 추진력을 사용하여 고속으로 여행하고 자기 유체는 로켓 엔진에 연료를 채우는 데 도움이 됩니다.

    지구 자기장, ) 자기권

    , 태양풍. Wired 잡지에 따르면 일부 사람들은 손가락에 작은 네오디뮴 자석을 이식하여 전자기장을 감지할 수 있다고 합니다.

    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. 1980년대 미국 식품의약국(FDA)이 승인한 이 방법은 다른 치료법에 반응하지 않은 뼈를 고칠 수 있습니다. 전자기 에너지의 유사한 펄스는 장기간 미세 중력 환경에 있는 우주 비행사의 뼈와 근육 손실을 방지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

    자석은 동물의 건강도 보호할 수 있습니다. 소는

    외상성 망상심낭염이라는 상태에 취약합니다. 또는 하드웨어 질병, 금속 물체를 삼킬 때 발생합니다. 삼킨 물건은 소의 위장을 뚫고 횡격막이나 심장을 손상시킬 수 있습니다. 자석은 이 상태를 방지하는 도구입니다.

    한 가지 방법은 금속 물체를 제거하기 위해 소의 음식 위에 자석을 통과시키는 것입니다. 다른 하나는 소에게 자석을 먹이는 것입니다.

    암소 자석으로 알려진 길고 좁은 알니코 자석 , 금속 조각을 끌어당겨 소의 위장 손상을 방지할 수 있습니다.

    반면에 자석은 사람의 장벽을 통해 서로 달라붙어 혈류를 차단할 수 있으므로 절대 먹으면 안 됩니다. 및 조직을 죽이는 것. 인간의 경우 삼킨 자석을 제거하기 위해 종종 수술이 필요합니다.

    어떤 사람들은 다양한 질병과 상태를 치료하기 위해 자기 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.

    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.

    최초 발행일: 2007년 4월 2일

  • 마그넷 FAQ
    지구 자기장이 왜 중요한가요?

    지구의 자기장이 없으면 지구상의 생명체는 결국 죽을 것입니다. 저것’ s 우리가 태양으로부터 많은 양의 방사선에 노출되고 우리의 대기가 우주로 누출될 것이기 때문입니다.

    인간은 전자기력인가요?

    인간은 자신의 전자기장을 생성할 수 있습니다. 이것은 신체를 통해 흐르는 작은 전류(화학 반응으로 인해 생성됨)의 존재로 인해 설명될 수 있습니다. 사실 가까운 자기장으로 체내 순환전류를 유도할 수 있습니다.
    자석은 몸에 해롭나요?

    자석이 인체에 유해한지 여부는 자석의 강도에 따라 다릅니다. 과학자들은 3000가우스 미만의 자석은 무해하지만 그 이상의 자석은 잠재적으로 위험할 수 있다는 데 동의합니다.

    자석이 내 맥북을 손상시킬 수 있나요?

    자석은 맥북을 손상시킬 수 있습니다. 주변 자석의 자화로 인해 컴퓨터 하드 디스크의 데이터가 지워질 수 있기 때문입니다. 이 경우 데이터가 손상되어 백업에서 복원해야 할 수 있습니다.

    자기 인덕턴스란 무엇입니까?

    자기 인덕턴스는 어떤 물질(예: 철)이 일시적으로 다른 자석 근처에 놓으면 자기 특성을 얻습니다. 이 현상은 1831년 Michael Faraday에 의해 처음 관찰되었습니다.

    더 많은 정보

  • 베어드, 크리스토퍼 S. “마그넷.” AccessScience@McGraw-Hill. 2020년 7월. (2022년 9월 5일) https://doi.org/10.1036/1097-8542.396600
  • Author: Tracy V. Wilson Chris Pollette