자성과 자기장

자석과 자기장

 인류가 처음으로 알게 된 자석은 자철광으로 자연적으로 자화된 암석이었다. 자철광이 처음 발견된 후 오래 지나서야 자철광을 나침반으로 사용하는 법을 알게 되어 방향을 정하는 데 쓰게 되었다. 오늘날 자석과 자기 물질은 널리 쓰이고 있으며 자기 물질의 자기적 특성은 원자와 전자에서 그 근원을 찾을 수 있으며, 게시판 등에 쪽지를 붙여 놓는 데 쓰는 일반적으로 구할 수 있는 자석조차도 자석 내의 원자와 전자 등에서 일어나는 양자물리학의 결과이다. 
 모든 자성 물질은 물질 내의 전자로 인해 자성을 띠게 되며, 전자가 자기장을 만드는 방법으로는 도선을 통해 전류 만들어 자기장을 형성하는 것이다. 이 외에도 양자물리학을 이용해 자기쌍극자 모멘트 주위에 자기장을 만들 수 있는데, 스핀 자기 쌍극자모멘트와 궤도 자기 쌍극자모멘트를 이용한 것이다. 먼저 스핀 자기 쌍극자모멘트는 스핀과 관련된 것이며 전자는 스핀이라고 부르는 고유한 각운동량을 가지고 있다. 스핀 자체는 측정할 수 없으며 좌표계의 어느 한 방향의 성분은 측정할 수 있고 스핀 자기양자수에 의해 두 가지 값만을 가질 수 있고, 자기 쌍극자모멘트도 스핀과 동일한 특성을 가진다. 스핀의 성분이 어떤 좌표계의 z축에 따라 측정한다고 했을 때, z축에 평행일 경우 전자는 위 스핀, 반 평행일 경우는 아래 스핀이라고 한다. 전자의 스핀은 자기쌍극자 모멘트와 반대 방향이다.
다음으로 궤도 자기 쌍극자모멘트는 원자 내의 전자가 가지는 궤도 각운동량과 관련이 있으며 궤도 각운동량은 양자화되어 궤도 자기양자수에 의해 주어지는 값만을 가질 수 있다. 궤도 자기양자수에서 한곗값은 허용된 최대 정숫값이다. 

 

지구자기장

 

 지구는 거대한 자석이라고 할 수 있는데, 지구자기장은 거대한 막대자석이 만드는 자기장으로 어림할 수 있다. 막대자석은 자기 쌍극자로써, 지구의 중심에 놓여있다고 할 수 있다. 지구자기장은 자기쌍극자가 만들기 때문에 자기 쌍극자모멘트와 관련이 있다. 지구의 자기쌍극자가 만드는 자기장이 대칭적이며 태양에서 몰려오는 대전입자에 의해 찌그러짐이 없는 이상적인 경우에 자기 쌍극자모멘트의 방향은 지구의 회전축과 각도 11.5도의 각도를 이룬다. 쌍극자축은 자기 쌍극자모멘트를 따라 놓여 있고, 지구 지자기 북극과 남극대륙에 있는 지자기 남극에서 지면과 만난다. 지구의 자기장선은 일반적으로 남반구에서 나와서 북반구로 들어가기 때문에 지구의 북반구에 위치한 자기극은 실제로는 지구 자기쌍극자의 남극이라고 할 수 있다. 지면 위의 한 위치에서 자기장의 방향은 보통 두 각도로 정해지는데, 자기편각은 지리적인 북쪽과 자기장의 수평성분 사이의 각도이고 자기경사각은 수평면과 자기장 방향 사이의 각도이다. 자기편각과 자기경사각은 각각 나침반과 경사계를 이용하여 측정하여 자기장을 결정할 수 있다. 나침반을 수평면에 놓으면 나침반 바늘의 북극 끝은 대략 지리적인 북극을 향하며, 이때 바늘과 지리적인 북극 사이의 각도가 자기편각이다. 경사계도 자석의 종류 중 하나이며 수평축에 대해서 자유롭게 회전하고, 경사계의 회전수직면이 나침반의 방향과 맞을 때 경사계의 바늘과 수평 사이의 각도가 자기경사각이다. 지구의 자기쌍극자가 만드는 자기장의 방향과 실제 지면에서의 자기장의 방향은 다를 수 있으며, 실제 자기장이 지면과 수직이며 안으로 들어가는 곳을 의미하는 경사북극은 지자기 북극의 위치와 상이하다. 또한 특정 지면에서의 자기장의 방향도 시간이 지남에 따라 변화되며, 평균적인 자기장의 변화는 짧은 기간 동안 천천히 변화하고 있다. 자기장의 변화는 대서양 중앙해령 해저의 약한 자기장을 측정해서 알 수 있는데, 이 해저면은 녹은 마그마가 지구의 내부를 뚫고 나와서 굳은 다음에 해저산맥으로부터 지각판의 유동에 의해 일 년에 수 센티미터 정도로 멀어져 간다. 이때 마그마는 굳으면서 굳는 시기의 지구자기장 방향으로 약하게 자화되는데, 해저의 여러 곳에서 이런 식으로 굳은 마그마를 연구해서 백만 년 정도마다 지구의 북극과 남극의 방향을 나타내는 극성이 바뀌었다는 사실을 알아냈고 이런 변화에 대한 원인은 지금까지 알려지지 않았다.