성기홍 전 김해교육장
21세기를 살아가는 문명인들은 전기와 자기의 힘으로 작동하는 기기의 혜택을 받으며 편안한 삶을 누리고 있다. 자기장이 걸려있는 곳에서 전기를 흘리면 전자는 힘을 받게 된다. 이 원리를 이용한 것이 모터이다. 모터는 자석의 가운데 코일이 있고 그 코일에 전류를 흘리면 모터가 회전을 하게 되어 자동화기기가 움직이는 동력이 발생하게 되는 것이다. 자석은 N극과 S극이 있으며, 나침반은 항상 같은 방향을 향한다. 16세기 후반 길버트는 나침반 자석의 N극이 북쪽을 가르키는 이유는 지구가 자석이기 때문이라는 사실을 알았다. 18세기 중반 외르스테드는 구리 코일속에 건전지를 전자석을 넣으면 장착한 건전지에서 나온 전류가 구리를 통해 흐르는 전류가 자기장을 만들고, 그 자기장의 힘이 자석을 미는 것이라는 사실을 알았고, 페러데이는 자기장이 생기면 전류가 흐른다는 사실을 알아냈다. 즉 전기와 자기는 떨어져 있는 것이 아니고 전기가 자기를 만들고, 자기가 전류를 만드는 것이다.
전류는 전자가 움직이는 것이다. 모든 물질은 원자로 구성돼 있고, 그 원자의 중심에는 원자핵이 있고 원자핵의 주변에는 전자가 돌고 있다. 원자의 주변을 도는 전자는 스스로 돌고 있는 스핀 운동을 한다. 그 스핀이 자석의 근원이다. 자석의 N극과 S극은 서로 당기고, 같은 극은 밀어낸다. 두 자석의 사이에 전류를 흘리면 전자는 힘을 받게 된다. 도선 두 개가 있을 때 전류를 같은 방향으로 흘리면 두 도선을 서로 당기고, 전류를 반대 방향으로 흘리면 서로 밀어낸다. 두 개의 도선을 놓고 한쪽 도선에 전류를 흘리면 그 전류 때문에 반대 도선에 자기장이 생긴다. 그 자기장이 있는데 반대편 도선에 같은 방향의 전류를 흘리면 도선이 또 당기는 힘을 받는다. 그러나 반대방향의 전류를 흘리면 두 도선은 밀어내는 힘을 받게 된다.
모든 전자기기를 비롯한 문명의 이기를 움직이는 모터에는 강력한 자석과 전기가 필요하다. 현대에 들어와서는 자동차를 비롯한 문명의 이기들뿐만 아니라 모든 전자기기들이 세밀해지고, 더 강력한 힘을 필요로 하게 되었다. 기기들이 세밀해 질수록 그 동력을 필요로 하는 모터는 소형화되면서도 더 강력한 힘이 요구되고 있다. 그러기 위해서는 모터에 들어가는 자석이 더 소형화 되면서도 더 강력한 자기력을 필요하게 됐다. 100년 전까지만 해도 자연에 있는 자철석의 자력을 이용한 자석만 있었다. 80년대에 들어와서 비로소 강력한 자석인 Nd-Fe-B(2:14:1) 비율인 네오디뮴 자석이 만들어 졌다. 문명의 이기를 움직이는 데는 강력한 자석이 필수적으로 필요하므로 이 때문에 네오디뮴을 비롯한 희토류 원소들이 많이 필요해 졌다. 그런데 이 네오디뮴을 비롯한 희토류들은 중국이 세계 보급량의 대부분을 차지하고 있어 이들 자원을 이용한 자원 무기화를 전 세계가 지켜보고 있다. 이에 우리나라도 희토류를 구하기 위해 해외 자원 개발을 비롯한 다양한 방법을 강구하고 있는 중이다.
모든 물질들이 상온에서는 분자 열운동 에너지 때문에 각각의 원자가 열운동을 하고 있으므로 전체적으로는 무질서해 자성이 아니지만 온도를 절대영도에 가까이 내리면 자석이 된다. 그러나 강력한 네오디뮴 자석도 온도를 엄청 올리면 자성을 잃게 된다. 이렇게 자력을 잃어버린 자석은 온도를 내려도 자성을 회복하지 못한다. 전기자동차에 들어가는 자석은 고온이 되어도 견딜 수 있어야 하므로, 고온이 돼도 자성을 그대로 가지는 물질을 만들기 위해 많은 연구가 계속되고 있다.
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