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학습자료/과학

지구는 거대한 자석

대한민국 교육부 2015. 9. 30. 15:57

지구는 거대한 자석



나침반이 항상 같은 방향을 가리키는 이유 

등산하다가 길을 잃었을 때 우리는 어떻게 방향을 찾을 수 있을까요? 이럴 때 나침반이 있다면, 언제나 같은 방향을 가리키기 때문에 나침반을 이용하여 쉽게 길을 찾을 수 있습니다. 


인류가 처음으로 자석을 사용하게 된 것은 방향을 알게 해주는 기능을 사용하기 위해서였습니다. 가장 오래된 기록은 기원전 2세기 무렵 중국에서, 늘 남쪽을 가리키는 자석의 성질을 이용해 ‘지남차’를 만들어 사용한 기록이 있는데, 지남차란 마차 위에 항상 남쪽을 가리키는 인형을 세워 방향을 알 수 있게 만든 장치입니다. 후에 휴대가 간편한 나침반을 만들어서 항해에 이용되었고, 나침반은 중앙아시아를 거쳐 유럽으로 전파되었다고 합니다. 


▲ 방향을 알려 주는 지남차와 나침반(출처: 에듀넷)


막대 자석을 실에 매달아 놓으면 자석은 움직이다가 북쪽과 남쪽을 가리키며 멈추게 됩니다. 북쪽을 가리키는 쪽은 ‘North’의 N을 따서 N극, 남쪽을 가리키는 쪽은 ‘South’의 S를 따서 S극이라고 합니다. 나침반은 이러한 자석의 성질을 이용하여 남북의 방향을 알아 내는 것입니다. 동양에서 자석을 지남철(남쪽으로 가리키는 철)이라고 부르는 것에서도 자석에 남북을 가리키는 성질이 있다는 것을 알 수 있습니다. 


그런데 자석이 항상 남쪽을 가리키는 이유는 무엇일까요? 중국에서 전해진 나침반은 서양 문명의 확산에 크게 기여했지만 그 원리에 대해서는 정확히 밝혀지지 않았었습니다. 


지구는 거대한 자석이다 

나침반의 N극이 북쪽을 향하려면, 자석의 특성에 맞게 북쪽에 자석의 S극이 있어야 합니다. 사람들은 나침반의 N극이 북쪽을 가리키는 것은 북극성이 잡아당기기 때문이라고 생각하였습니다. 그러나 1600년 영국의 길버트의 생각은 조금 달랐습니다. 길버트는 그의 ‘자석에 관하여’라는 책에서 지구는 하나의 큰 자석과 같다고 말하였습니다. 길버트는 자침이 언제나 남북을 가리킨다는 사실과 함께 위치에 따라 그 각도가 달라진다는 사실을 생각하였습니다. 지구 외부에서 북극성이 잡아당기게 된다면 나침반의 각도가 그렇게 나올 수 없다는 것을 알게 된 것이지요. 때문에, 그는 나침반의 바늘이 항상 남북을 가리키는 까닭이 지구의 남쪽과 북쪽에 나침반을 끌어당기는 힘이 있기 때문이라고 생각하였습니다. 즉, 우리가 사는 지구가 큰 자석이라고 생각한 것입니다. 


그는 자철광을 이용하여 지구와 같은 구형의 작은 자석을 제작하였습니다. 그는 지구 모형 위에 자석을 올려놓았는데 이 자석은 적도에서 남극이나 북극을 향해 이동할 때 나침반의 자석이 기우는 것을 그대로 보여 주었습니다. 그래서 자석이나 나침반에서 북쪽을 가리키는 부분을 N극이라고 부르는데, 자석은 서로 다른 극끼리 끌어당기기 때문에 지구 북쪽에는 S극의 성질을 띠고 남극은 자석의 N극의 성질을 띠고 있다는 것을 알 수 있었습니다. 


그렇다면 지구 주위에는 자기장이 왜 생기는 걸까요? 그 이유는 지구 안쪽에 정말로 큰 자석이 있기 때문은 아닙니다. 지구의 안쪽은 매우 높은 온도 때문에 자력이 생길 수가 없습니다. 진짜 이유는 지구의 안쪽에 있는 외핵이라는 물질의 회전 때문입니다. 외핵은 철과 니켈과 같이 전기가 잘 통하는 물질들로 이루어졌는데, 이 물질들은 매우 높은 온도로 인하여 액체 상태로 있습니다. 지구 안쪽의 열기로 액체인 외핵은 대류 현상을 일으키고, 지구 안쪽에서 회전하게 됩니다. 도체가 회전 운동을 하게 되면 자기장을 만들어 내는데, 이러한 원리로 지구에 자기장이 생기게 되는 것을 '다이나모 이론'이라고 합니다. 


나침반의 방향에는 오차가 있다? 

나침반이 가리키는 북쪽은 실제 지도의 북극과 다릅니다. 따라서 나침반이 가리키는 북쪽을 ‘자북’이라고 부르고 실제 지리상의 북쪽(북극)을 ‘진북’이라고 부릅니다. ‘자북’은 시간이 지나면서 조금씩 변합니다. 현재 ‘자북’은 지리상의 북쪽인 북극에서 약 1800Km 떨어진 캐나다 북부 지점입니다. 그래서 요즘에는 정확한 위치 정보가 필요할 때는 나침반이 아닌 GPS를 사용합니다. 


▲ 나침반의 자북과 지도의 북극의 차이(출처: 에듀넷)



[자료출처: 에듀넷]






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