자석은 정말 신기한 물건이죠. 플라스틱, 나무는 물론이고 심지어 쇠붙이인 구리나 알루미늄조차 끌어당기지 못합니다. 그런데 유독 철, 코발트, 니켈에만 찰싹 달라붙는 모습을 보면 마치 특별한 '짝사랑'을 하는 것처럼 느껴집니다. 자석이 특정 물질에만 반응하는 데는 어떤 과학적인 원리가 숨어 있을까요? 그 비밀은 바로 물질의 자성(磁性)에 있습니다.
자석의 사랑을 받는 강자성체의 조건
모든 물질은 원자로 이루어져 있고, 원자 안에는 끊임없이 움직이는 전자가 있습니다. 이 전자는 마치 아주 작은 자석처럼 스핀(spin)이라는 성질을 가지고 아주 미세한 자기장, 즉 자기 모멘트를 만듭니다. 대부분의 물질에서는 이 전자들의 스핀이 제멋대로의 방향을 향하고 있어, 전체적으로 자기력을 상쇄하며 자성을 띠지 않습니다.
하지만 철, 코발트, 니켈 같은 물질은 다릅니다. 이들은 강자성체(Ferromagnetic materials)라고 불리는데, 원자들의 자기 모멘트가 자기 구역(magnetic domain)이라는 작은 집단 내에서 같은 방향으로 정렬되어 있습니다. 마치 한 방향을 향해 걷는 군인들처럼 말이죠.
자석의 자기장, 특별한 사랑의 손길
자석은 눈에 보이지 않지만 주변에 자기장이라는 보이지 않는 힘을 뻗습니다. 이 자기장이 철과 같은 강자성체에 닿으면, 물질 내부의 무작위로 배열된 자기 구역들이 자석의 자기장 방향에 맞춰 정렬됩니다.
이렇게 정렬된 강자성체는 그 자체로 강력한 자성을 띠게 되며, 자석과 서로 강하게 끌어당기는 힘이 생깁니다. 결국, 자석과 강자성체는 서로를 바라보며 가까워지고 찰싹 달라붙게 되는 것입니다.
플라스틱, 나무 등은 왜 끌리지 않을까?
플라스틱이나 나무 같은 물질들은 강자성체가 아닙니다. 이 물질들은 내부의 전자 스핀이 자기장 방향으로 정렬되지 않아 외부 자기장에 거의 영향을 받지 않습니다. 그래서 자석이 아무리 가까이 가도 자기력이 발생하지 않아 끌리지 않는 것입니다.
결국, 자석은 아무 물질이나 좋아하는 게 아닙니다. 오직 특별한 자기적 성질을 가진 강자성체인 철, 코발트, 니켈에게만 비밀스러운 짝사랑을 이어가고 있는 것이죠. 그 사랑은 바로 원자 속 전자들의 스핀이 만들어내는 아주 미세하고도 강력한 과학적 이야기랍니다.
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