자력—사람의 능한 하인

자력(磁力)—이것이 없다면 현대 생활이 어떠할 것인가? 자력은 우리 가정을 따뜻하게 해주고 길을 밝혀 주고, 음식을 요리해 주고, 매일 우리를 위해 힘든 일을 해 주는 전기를 일으켜준다! 자력이 없다면, 우리는 ‘라디오’ 음악을 즐기지 못할 것이고, ‘텔레비젼 프로’를 시청하지 못할 것이며, 전화를 걸지도 못할 것이다.

이 놀라운 힘과 관련하여 중국인들은 ‘흡철석’이라고 불렀다. 선원들은 “인도하는 돌”을 의미하는 ‘로우드스토운’이라 불렀다. 영어로는 그것을 ‘마그네트’(magnet)라고 하는데, 이 말은 소‘아시아’의 ‘마그네시아’의 풍부한 자철광(magnetite)에서 유래한 명칭이다. 그 명칭이야 어떻든지간에 천연 자석(磁石) 속에 있는 신비로운 힘 때문에 자석은 금과 같이 고귀하게 되었다. 고대 왕들은 그것에 매혹되었다. 선원들은 작은 조각의 자석을 이용하여 항해하곤 하였다. 이교도들은 신들이 그들을 인도하기 위하여 자석을 내려 준 것으로 생각하였다. 그러나 고대 세계에서 그에 대해 많은 관심이 기울여지긴 했으나, 아무도 우리가 자력이라고 부르는 힘의 엄청난 잠재력을 예견하지는 못하였다.

오늘날 자석을 구하기는 용이하다. 자철광은 흔하지 않지만, 강력한 인조 자석은 싼 값에 구할 수 있다. 많은 어린이는 한 쌍의 조그마한 자석을 가지고 노는 것을 좋아한다. 그 점에 있어서는 오늘날 자석이 하도 흔하기 때문에 관심의 대상이 되지 않는 경우도 많다.

그러면 자력이란 무엇인가? 그것은 어떻게 인간에게 영향을 미치는가? 그 신비로운 힘의 근원은 무엇인가? 사람의 능한 하인 노릇을 하는 이것을 좀더 자세히 살펴보기로 하자.

자력의 특징

두개의 막대 자석을 실험해 보면 자력의 기본적인 사실 몇가지를 이해하는 데 도움이 될 것이다. 첫째 자석 위에 종이를 놓고 그 종이 위에 쇳가루(못을 줄로 간 것과 같은)를 뿌린다. 손가락으로 종이를 두세번 가볍게 치면 이러한 쇳가루가 이상한 모양을 형성할 것이다. 쇳가루가 함께 모여 자석의 한 쪽 끝에서 둥글게 나가 다른 끝으로 들어가는 듯한 여러 개의 선을 이루는 것에 유의하라. 여기에서 보이는 것이 자장(磁場)의 조그만 부분이다. 이 보이지 않는 자력선들이 실제로는 자석의 주위를 모든 방향으로 감싸고 있다. 이 모든 자력선이 모이는 자석 양 끝을 자극(磁極)이라고 부른다. 모든 자석은 상호 분리될 수 없는 두개의 자극을 가지고 있다. 막대 자석을 둘로 자르면 자극이 하나씩만 있는 반개 자석 두개가 되는 것이 아니라, 원래의 자석과 마찬가지로 두개의 자극이 있는 두개의 완전한 자석이 될 것이다.

자장과 자석의 양끝을 확인하였으므로, 이제 자력의 또 다른 흥미있는 특성을 살펴보기로 하자. 자석의 중앙에 끈을 매고 자석을 공중에 매달아 보라. 그러면 자석의 한 쪽 끝이 흔들거리다가 마침내 북쪽을 가리킬 것이다. 그것을 움직여 주어도 항상 제자리로 돌아와 북쪽을 가리킬 것이다. 북쪽을 가리키는 자극을 자석의 북극이라고 하고 남쪽을 가리키는 자극을 자석의 남극이라고 한다. 자력의 이 특성이 나침반의 기초가 된다. 그러나 왜 이러한 현상이 생기는가?

그것을 알아내기 위하여 두번째 자석을 사용할 필요가 있을 것이다. 각 자석의 끝에 북쪽을 가리키는 자극을 N으로 표시하고 남쪽을 가리키는 자극을 S로 표시하라. 양쪽 손에 자석 하나씩을 들고 한 자석의 N극을 다른 자석의 S극 가까이에 가져가 보라. 무슨 일이 일어나는가? 서로 당기는 보이지 않는 힘이 있는 것같이 느껴질 것이다. 그러나 한 쪽 자석의 위치를 돌려 N극끼리 혹은 S극끼리 가까이 두면 이번에는 서로 밀어내는 힘을 느끼게 될 것이다. 이것은 자력의 불변의 법칙 즉 반대극은 언제나 끌어 당기고, 같은 극끼리는 언제나 배격한다는 법칙을 예시한다.

이것은 자석의 한 쪽 끝이 언제나 북쪽으로 돌아가는 이유를 설명해 준다. 막대 자석에 자장이 있듯이, 지구 자체에도 자장이 있다. 이 자장은 멀리 외계에까지 뻗어 지구의 양극에서 모인다. 그러므로, 자석의 북극은 “지구 자석”의 북극에 언제나 끌릴 것이고, 남극에 의해서는 배격될 것이다.

아마 자력의 가장 널리 알려진 특성은 금속을 당기는 힘일 것이다. 그러나 모든 금속이 자석에 끌리는 것은 아니다. ‘놋쇠’, ‘알루미늄’, 금 및 은은 자석에 끌리지 않고 철, 강철, ‘니켈’, ‘코발트’, ‘크롬’ 등의 금속은 정도의 차이가 있지만 자석에 끌린다. 흥미롭게도, 자석의 당기는 힘은 양극이 동일하다. 그러므로, 예를 들어, 쇠못을 당기는 힘은 막대자석의 양극이 동일하다.

자력의 이러한 기본적인 특성을 고찰해 볼 때, 아직 대답되지 않은 매우 중요한 질문들이 남아 있게 된다. 이 힘의 근원은 무엇인가? 자력을 일으키는 것은 무엇인가? 그리고 왜 모든 금속이 자기를 띠지는 않는가?

자력의 원인의 발견

상기 질문들에 대답하기 위하여 우리는 물체의 기본 구성 요소 즉 원자를 고려해야 할 것이다. 원자는, 양자와 중성자로 조밀하게 짜여진 핵과, 마치 태양계의 행성들이 태양 주위를 선회하듯이 핵 주위를 도는 전자로 구성되어 있다. 실제로 이 전자의 운동으로 인하여 원자내에 미소한 자력이 생긴다. 대부분의 전자는 자장이 서로 중화되도록 짝지어져 있다. 원자내의 모든 전자가 짝으로 되어 있으면, 순자장은 ‘제로’가 된다. 그러한 원자로 구성되어 있는 금속은 자기를 띠지 않는다.

원자내의 전자가 짝지어 있지 않을 경우는, 그 원자에, 과학자들이 부르는 순 자기 ‘모우먼트’가 있다. 이 자기 ‘모우먼트’의 세기가 고체 금속내의 원자의 정렬을 결정한다. 대부분의 금속에서, 보통 온도에서의 원자의 운동은 자력을 이겨낼 만큼 강하다. 그리고 원자의 자력은 방향이 불규칙하게 혼란되어 있다. 다수 원자의 자장의 최종 결과는 평균 ‘제로’에 해당한다.

그러나, 그러한 금속이 다른 자장에 놓일 때 자력이 유도될 수 있다. ‘크로뮴’이 그러한 금속이다. 자장의 힘 때문에 원자는 평행 정렬을 한다. 그러나 자장에서 제거되면, 다시 열 운동이 우세해져서 이 정렬이 파괴된다. ‘크로뮴’은 자력을 상실한다. 자력을 유지하지 못하는 이러한 금속을 상자성체(常磁性體)라고 한다.

이와 대조적으로, 철, ‘코발트’, ‘니켈’을 포함한 어떤 금속에서는, 개별 원자들이 훨씬 더 강력한 자기 ‘모우먼트’를 가지고 있다. 이러한 자기 ‘모우먼트’는 매우 강하여 원자들이 용해한 물에서 결정체가 될 때 한 원자가 이웃 원자의 영향을 받고 원자단이 자축과 평행으로 정렬한다. 그러한 각 원자단은 실제로 작은 자석이 된다. 그러나, 이러한 원자단은 크기가 극히 작고 처음 주조할 때 방향이 불규칙하다. 그러므로 예를 들어 일반적인 쇠못은 자석이 아니다.

그러나, 쇳 조각이 자장 내에 놓이면, 자장과 조화되는 원자단은 이웃 원자만을 희생시키고 성장하여 인접한 원자들을 그 원자단과 조화되게 당긴다. 이러한 작용은 가열하거나 잡아늘임으로 압력이 가해질 때 강화된다. 이렇게 하여 형성되는 정렬은 자장으로부터 그 쇠가 제거되어도 지속한다. 그리하여 그 금속은 영구 자석이 된다. 영구적으로 자화(磁化)될 수 있는 금속은 강자성체(強磁性體)라고 한다. 자철광의 철 원자는 매우 질서있게 정렬되어 있다. 이것은 분명히 철광이 고체 결정을 이룰 때 지구 자장의 영향을 받았기 때문일 것이다.

자장으로 정렬된 원자단이 클수록, 그리고 방향이 불규칙한 원자단이 작을수록, 그 결과 생기는 영구 자석의 힘은 강할 것이다. 과학자들은 강력한 자장 내에 있을 때 그 금속에 가열하거나 압력을 가함으로 원자단의 최대수가 영구 정렬될 수 있음을 알았다. 이러한 방식으로, 강도가 큰 영구 자석이 경제적으로 만들어질 수 있다.

천체의 자력

앞서 언급한 바와 같이, 지구 자체가 하나의 거대한 자석이다. 이러한 지구 자장의 원인은 무엇인가? 일부 사람들은 그것이 지구 내부의 자기를 띤 천연 광석 때문인 것으로 생각하였다. 다시 말하면, 그들은 지구가 거대한 영구 자석이라고 생각하였다. 그러나, 근년에는, 지구의 매우 높은 내부 온도가 그러한 가능성을 배제한다는 것이 알려졌다.

오늘날 가장 널리 인정되고 있는 설명은, 지구의 자장이 지구 중심부에 있는 전류로 인하여 생기고, 어떤 면으로 지축을 중심으로 지구가 자전하는 것과 관련되어 있다는 것이다. 또한 다른 행성들도 자력을 띠고 있다는 증거가 있다. 특히, 목성은 지구보다 강한 자장을 가지고 있다. 그리고 태양도 극히 강력한 자장을 가지고 있다. 태양을 비롯하여 약 일천억개의 별을 포용하고 있는 은하수에도 자장이 있다는 증거가 있다.

지구의 자장이 생명을 보호하는 역할에 대해서는 과학자들이 사실을 밝혀내고 있다. 태양 표면의 맹렬한 자기 폭풍(“태양 흑점”으로 알려진)과 관련하여 그에 대한 예를 엿볼 수 있다. 뜨거운 태양의 ‘가스’체 내의 집중된 자장의 거대한 영역이 실제로 지구보다 더 큰 영역을 포용하고 있으며 그 자장은 강도가 지구 자장보다 천배가 넘는다. 태양은 계속적으로 충전된 입자들의 홍수를 공간속으로 내뿜는데, 이것을 “태양풍”이라고 한다. 이 태양풍은 지구에 오면 지적 생명을 파괴할 것이지만, 지구의 자장은 그 입자들이 대기권에 이르기도 전에 우주 공간속으로 몰아낸다. 자장은 그 입자들의 진로를 자력선 주위를 나선형으로 돌게 하고 깔때기 모양으로 북극과 남극 지방의 대기속으로 들어가게 한다. 그럴지라도, 태양에 강한 자기 폭풍이 있을 때에, 우리는 그 직후 무선 송신, ‘레이다’ 장치 심지어는 배전(配電)도 방해하는 지자기 폭풍을 기대할 수 있다. 그것은 또한 “북극광”과 “남극광”이라고 불리우는 거대한 ‘불꽃놀이’를 연출한다.

지구의 자장은 또한 가장 유해한 우주선(線)을 극지방으로 변환시킴으로 우리를 보호하는 역할을 한다. 우리는 아직도 이러한 자력의 “방석”이 우리에게 주는 여러 가지 유익을 온전히 인식하지 못할지도 모른다. 그러나 지구의 자력이 생명 보호에 중요한 역할을 하고 있음이 명백해지고 있다.

전력과 자력

자력이 인류에게 봉사할 수 있는 능력은 특히 전기와의 관계에 있다. 우선 원자 내의 미소한 전류가 자력을 일으킨다는 것을 기억하라. 사실, 자력과 전력은 매우 긴밀한 관계가 있어 서로를 일으킨다. 어떻게?

도선을 따라 흐르는 전기는 그 도선을 자화한다. 그렇다고 해서 도선이 다른 금속을 당기는 것은 아니다. 왜냐 하면, 이 때 생기는 자장은 그 도선을 둘러싸는 동심원으로서 양극이 없기 때문이다. 그러나 실패에 감긴 실과 같이 그 도선이 ‘코일’로 감겨 있으면 각 ‘코일’의 자장이 이웃 자장을 증폭하여 하나의 커다란 자장이 생긴다. 도선이 감겨진 수 즉 ‘코일’ 수가 많을수록, 자석은 더 강해진다. 이 자석은 그것을 통하는 전기를 끊었다 이었다 함에 따라 자력도 단속될 수 있다. 전류가 흐르지 않으면 자장이 없어진다. 이러한 자석을 전자석이라고 한다.

이용되고 있는 전자석의 간단한 예는 일반적인 초인종이다. ‘버튼’을 누를 때에는 전기가 전자석으로 통하여 금속 돌쩌귀를 당긴다. 전자석 쪽으로의 운동으로 그 금속이 종을 친다. ‘버튼’에서 손을 떼면, 전자석에서 금속이 떨어지며 그 금속이 원래의 위치로 튀어 오르면서 또 다른 종을 친다. 그리하여 “딩동” 비슷한 소리가 난다. 이러한 방법으로 때로는 더욱 복잡한 방법으로 자석과 전자석은 대부분의 전기 기구 중심에 있다.

전동기는 전자석에 기초하고 있다. 간단히 말하면, 원형으로 배열된 전자석들에 정확한 시간 간격으로 전기를 통했다 껐다 하면 자석의 당기는 성질과 미는 성질 때문에 그 원형 내의 회전자가 돌아가기 시작한다. 그러므로 세기가 다른 여러 가지 전동기는 시계 바늘을 돌리는 일에서부터 육중한 통근 열차를 목적지에 신속히 운행시켜 주는 일에 이르기까지 많은 일을 해 준다.

각종 ‘스위치’, 계전기, ‘솔레노이드’, 계량기를 비롯한 많은 전자 기구들이 전력과 자력간의 이러한 간단한 관계에 기초해 있다. 또한, 자력은 당신의 음성이 전화선을 따라 상대방에게 전달되고 그 상대방의 대답하는 음성을 들을 수 있게 해 준다! ‘라디오’, ‘텔레비젼’ 혹은 전축의 ‘스피이커’ 내의 전자석은 전기 충격을 음성으로 변환시키고, 원음을 놀라울 정도로 충실하게 재생한다. 그렇다. 귀여운 아들이 처음으로 발성하는 “엄마” 소리, 사랑스러운 딸의 첫 ‘바이올린’ 독주를 ‘테이프’에 녹음했다가 여러 해 후에 그 고귀한 순간들을 재생할 수 있는 것도 자력의 덕분이다.

‘텔레비젼’ 수상기에 화면을 조성하는 것은 자장에 의하여 정확히 초점이 잡힌 전자의 광선이다. 자력에 의한 이 동일한 전자파속(電子波速)의 집광을 통해 과학자들은 전자 현미경으로 무한히 작은 물체를 들여다 볼 수 있게 되었다.

자력과 전력과의 관계는 또한 반대로도 작용한다. 전기를 일으키는 발전기는 자력에 의존하고 있다. 강력한 영구 자석들이 원형으로 배열되어 수증기나 물에 의해 가동하는 ‘터어빈’은 이러한 강력한 자장을 통해 ‘코일’이 돌아가게 한다. 도선의 이러한 운동으로 말미암아 전류가 도선으로 흐르게 된다. 다음에 이 전류는 적절한 전압으로 변하여 가정에 전달된다.

우리가 자력이라고 부르는 그 강력한 인간의 조력자가 아니라면 오늘날 전체 전기 산업이 존재하지 않을 것이라고 말하여도 과언이 아닐 것이다.

커다란 가능성

자력에 대하여 아직도 배워야 할 것이 많으며, 과학자들이 이 자력에 대하여 더 알게 될수록, 더 많은 용도를 알게 된다. 예를 들면, 자기 유체 역학이라는 새로운 응용 과학은 오늘날보다 더욱 경제적인 발전 방법을 개발한 전망을 보여 주고 있다. 현재 많은 대도시는 ‘스티임 터어빈’으로 발전기를 돌리며 ‘스티임’을 내는 데 석탄과 같은 화석 연료를 사용한다. 그러나, 자기 유체 역학을 통해 발전기에서 뿐 아니라, 굴뚝에서도 전기를 일으키는 것이 가능할 것이다. 어떻게? 불타는 석탄에서 생기는 뜨거운 ‘가스’가 자장을 지나갈 때 전류가 생긴다. 이 혁신적인 방법으로 석탄에서 나는 ‘에너지’를 전기로 전환시킬 수 있으며, 다른 어떠한 방법 보다도 더 효율적으로 그렇게 할 수 있다. 일부 연구가들은 자기 유체 역학을 이용하면 석탄 1 ‘톤’에서 생기는 전기가 50‘퍼센트’나 증가된다고 말하고 있다. 자기 유체 역학은 또 특정 형태의 원자로에서 동력을 이끌어내는 방법으로 제안되고 있다.

수송 분야에서, “자력 부양”(浮場)을 통해 특수 선로 위로 “비행하는” 열차가 개발되고 있다. 열차와 선로 노반(路盤)에 있는 전자석들이 열차를 선로 위로 30 ‘센티미터’ 가량 띄운 다음 놀라운 속도로 전진하게 한다. 독일과 일본에서의 실험은 그러한 열차가 승객을 시속 306‘킬로미터’로 수송할 것임을 시사하고 있다. 자력 부양에 기초한 고속 수송 방법은 다른 방법에 비해 경제적으로나 환경상으로 유리하다. 예를 들면, 닳아서 해질 가동 부분이 없으며, ‘에너지’ 소모량이 적고 가동시에 공해 요소나 소음 요소가 없다.

인간은 자력의 용도를 탐색하는 면에서 ‘첫 출발’을 했을 뿐이다. 우주 내의 그러한 강력한 힘에 대한 지식이 증가함에 따라 그러한 힘의 창조주, 여호와 하나님의 능력에 대해 깊이 생각해 볼 만하다. 그분은 ‘강력한 ‘에너지’가 풍부하고 능력이 강한’ 분이며 인간의 능한 하인인 자력의 근원이 되는 분이시다!—시 147:5; 이사야 40:26.

[19면 삽화]

자화되지 않은 금속의 작은 원자단은 자극의 방향이 불규칙하게 배열되어 있다

자화되면 원자단은 서로 평행되게 정렬한다

[20면 삽화]

전기가 흐르는 도선 주위의 자장은 ‘도우넛’ 모양을 이루며 양극이 없다

도선이 ‘코일’을 이루면 그 속으로 전류가 흐를 때 그것은 양극을 가진 전자석이 될 것이다

[21면 삽화]

“자력 부양”을 통해 특수 선로 위로 “비행”하는 고속 열차가 개발중에 있다