막대자석을 두 동강 내여 양끝에 나타나 있는 N극과 S극을 분리할 수 있을까.

실제로 막대자석을 자르면, 그 자른 끝에는 다시 새로운 자극(磁極)이 형성된다. 결코 한쪽은 N극뿐이고 다른 한쪽은 S극뿐인 단일의 자극(磁極)은 되지 않는다.

그러나 전기의 경우 이와 다르다. 즉 플러스와 마이너스의 전하로 분리해서 각각을 고립시킬 수 있는 것이다. 전하 사이에 작용하는 정전기력은 만유인력과 같이 거리의 제곱에 반비례한다. 이것을 역제곱의 법칙이라고 하는데 실은 자극과 자극 사이에 작용하는 자기력도 역제곱의 법칙으로 되어 있다. 두 자극 사이에 작용하는 자기력은 두 자극의 세기의 곱에 비례하고 자극 사이의 거리의 제곱에 반비례한다. 이것도 쿨롱이 발견했으므로 자기에 관한 쿨롱의 법칙이라고 한다.

따라서 동종의 극은 반발력, 이종(異種)의 극은 흡인력이 작용한다는 것은 말할 필요도 없다. 이와 같이 정전기와 자기는 아주 흡사한 현상을 보이고 있는데, 다만 정전기에서는 단일의 전하를 빼낼 수 있는 데 반해, 자기에서는 단일의 자극이 분리될 수 없다는 것이 가장 다른 점이다.

단일의 자기를 자기단극자(磁氣單極子)라고도 하는데, 양자역학의 창시자의 한 사람인 디랙은 전기와 자기와의 대칭성에서 자기단극자를 이론적으로 예언한 바 있다.

그 이래 오늘날까지 자기단극자를 찾는 실험이 행해지고 있으며, 우주선의 소립자 중에서 발견될 가능성이 높다고 해서 열심히 관측했지만 존재는 부정적이다.

그렇다면 자기의 정체란 과연 무엇일까. 막대자석을 더욱 잘게 쪼개어 보자. 계속 쪼개나가도 N극과 S극은 쌍으로 나타난다. 더 이상 분할이 불가능한 분자의 상태에 도달해도 N극과 S극을 가진 자기쌍극자로 된 채로 남아 있다. 이것을 분자자석이라고 하는데, 다시 원자의 상태로 분해해 보면, 원자 내의 전자는 팽이와 같이 자전(自轉)하여 전기쌍극자가 되는 것이다. 이 자전 운동을 스핀이라고 한다.

전자를 음전하를 가진 공이라고 생각해서, 그림의 화살표 방향으로 자전하면, 이것과 반대 방향으로 전류가 흐르고 있는 것이 되고, 전자는 그림과 같은 자기를 가진 마이크로의 자석이 되어 있는 것이다.

또 전자가 원자핵의 주위를 도는 운동도 이것과 반대 방향의 루프 전류로 볼 수 있으므로 원자의 자기쌍극자를 주게 되는 것이다. 이와 같이 마이크로의 전류가 자성의 기본이 되는 한, 자기단극자가 존재할 여지는 없다고 생각된다.

자석, 그 신비한 세계

자석이 전기에 의해서 일어나는 현상이라는 것을 아는 사람은 드물다.

자석을 맨 처음으로 발견한 것은 중국인이며 4,500년 전부터 천연자석에 대한 지식이 있었고 3,000년 전쯤에는 나침반까지 만들었다.

자석의 힘은 대단해서 떨어져 있어도 작용한다. 이것은 자석 둘레에 떨어져 있는 물체에도 힘을 미치는 공간이 형성되기 때문인데, 이 공간을 자계(磁界) 또는 자장(磁場)이라고 한다. 지구도 하나의 큰 자석이다. 이에 지구 둘레의 공간에는 자계가 형성되어 있다. 

자침이 북을 향하는 것도 바로 이 때문이다. 자침이 북을 가리키는 끝을 N극(양극), 남을 가리키는 끝을 S극(음극)이라 한다. N극끼리 또는 S극끼리는 서로 밀어내고 N극과 S극이 만나면 서로 당긴다는 것을 자석을 가지고 놀아본 경험이 있는 사람이라면 누구나 잘 알 것이다. 이것은 정전기의 전하 사이에 작용하는 힘과 흡사하다.

자계 속에서 자침이 N극을 가리키는 방향을 자계의 방향이라고 한다. 자석 위에 두꺼운 종이를 놓고 그 위에 쇳가루를 뿌린 다음 종이를 가볍게 두드리면 쇳가루는 아름다운 모양으로 늘어선다. 이러한 쇳가루가 그리는 선을 자력선이라고 한다.

이 사실에서 미루어 볼 때, 자석은 분자 크기 정도의 미소한 자석이 모여서 구성되어 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 미소한 자석을 분자자석이라고 한다. 보통의 쇠는 이 분자자석이 제멋대로의 방향으로 되어 있으나 자계를 가하면 분자자석은 자계의 방향으로 정렬해서 자석이 된다.