◎ 미리생각해보기

아래 보기의 물체들을 보고 자석에 붙는 금속과 붙지 않는 물체를 골라 나누어보세요.

[보기] 구리관, 알루미늄캔, 클립, 플라스틱막대, 나무젓가락, 유리판, 종이,

에나멜선, 압핀, 실, 못, 냉장고, 용수철, 손수건, 동전, 철가루, 나사

- 자석에 붙는 것: 클립, 압핀, 못, 냉장고, 용수철, 철가루, 나사

- 자석에 붙지 않는 것: 구리관, 알루미늄캔, 플라스틱막대, 나무젓가락, 유리판, 종이, 에나멜선, 실, 손수건, 동전

◎ 실험 전 주의사항!

1. 실험에 포함된 작은 부품이나 시약 등은 삼키지 않도록 주의합니다.

2. 실험에 포함된 준비물은 실험 외 다른 용도로 절대 사용하지 않도록 합니다.

3. 실험용 도구와 시약으로 절대 장난치지 않도록 합니다.

4. 날카로운 도구를 사용할 때는 다치지 않도록 주의합니다.

5. 실험 후에는 주변 지역을 정리하고 손을 깨끗이 씻습니다.

◎ 실험 전 반드시 확인하기!

바람이 불거나 촛불이 흔들리면 철사가 잘 달궈지지 않아 실험이 잘 되지 않습니다. 최대한 바람이 불지 않는 환경을 조성해주세요.

1. 우드락보드를 반으로 잘라 사진과 같이 두겹으로 겹쳐줍니다.	2. 겹쳐놓은 우드락보드 한쪽 끝에 대못을 꽂고 네오디뮴자석을 붙입니다. (주의! 철사의 간격이 너무 넓거나 좁지 않도록 해주세요.)

◎ 실험방법

3. 다른 대못에는 가는 철사를 사진과 같이 감아줍니다.	4. 철사를 감은 대못을 자석을 붙여놓은 대못과 마주보도록 꽂아줍니다. (주의! 자석과 철사가 너무 가까우면 철사가 자석에 붙습니다. 철사와 자석이 붙지 않도록 주의하세요.)

SZ-F-R-005(Rev.3)                                                                                                      호기심의 시작 사이언스존                                                                                                     A4(210mm ×297mm)

5. 티라이트초에 불을 붙이고 철사 끝과 맞추어 놓습니다. (주의! 티라이트초와 철사 끝이 잘 맞아야 합니다. 촛불이 철사에 닿지 않으면 가열되지 않아 실험이 잘 되지 않습니다.)	6. 철사와 네오디뮴자석의 높이를 티라이트초에 맞추어주고 책으로 바람막이를 해줍니다.

◎ 실험결과 및 생각해보기

1. V모양 철사는 어떻게 되었나요?

⇒ 철사가 자석에 붙었다 떨어졌다를 반복하며 좌우로 왔다갔다 움직입니다.

2. 철사가 그렇게 되는 이유는 무엇인가요?

⇒ 철사는 자석에 붙습니다. 철이나 니켈, 코발트와 같은 물질은 자석에 잘 붙는 성질을 가

지는 강자성체입니다. 자석에 철이 붙는 원리는 철 내부 자기의 방향이 일정해져서 일시적으로 자석이 되어 붙는 것입니다. 자석에 붙는 이러한 성질을 우리는 자성이라고 합니다. 자석이 잡아당기는 힘 때문에 못에 매달려 있던 V자 모양 철사의 한쪽 끝이 자석에 끌리다가 초에 의해 가열되면 철사의 온도가 높아져서 자성을 잃게 됩니다. 그러면 다른 쪽의 철사가 자석에 끌려가고, 다시 이 철사가 뜨거워져서 자성을 잃으면 온도가 내려간 쪽의 철사가 자석에 끌려가게 되는 것입니다. 이렇게 V자 모양의 철사가 좌우로 움직이게 되는 것입니다. 철사는 항상 자석에 이끌리는 것이 아니라, 가열되어 일정 온도가 넘어가게 되면 자성을 잃어 자석에 붙지 않게 됩니다. 이 때의 온도를 피에르 퀴리의 이름을 따서 ‘퀴리 온도’ 또는 ‘퀴리점’이라고 합니다. 퀴리 온도 이상에서는 자석 때문에 일정하게 유지 되던 철 안에 자기의 방향이 흩어져서 자성을 잃게 됩니다.

3. 겉불꽃에서 철사를 가열해보고 속불꽃에서 철사를 가열해보세요. 철사의 움직임은 어떤 차이가 있었나요?

⇒ 철의 퀴리 온도는 770℃입니다. 초의 불꽃으로 철사를 가열하면 철의 퀴리 온도보다 온도가 높아져서 자성을 잃게 됩니다. 초의 겉불꽃은 온도가 1400℃ 정도이고, 속불꽃은 600℃ 정도가 됩니다. 철사의 높이를 조절해 속불꽃으로 가열하다가 겉불꽃으로 가열하면 빠른 시간에 퀴리 온도에 도달할 수 있으므로 V자형 철사가 더욱 빠르게 좌우로 움직이는 것을 볼 수 있습니다.

◎ 원리이해

1. 퀴리엔진

퀴리 부부는 폴로늄과 라듐을 발견해 1903년 노벨물리학상을 받았습니다. 피에르 퀴리는 자성 물리학을 연구해 ‘물질의 자화율이 절대온도에 반비례한다.’는 퀴리의 법칙을 발표했는데, 이를 이용한 간단한 장치를 만들어보면 원리를 쉽게 알 수 있습니다.

나무판의 양쪽에 굵은 못을 박고, 한쪽 못에 얇은 금속 조각을 고정시킵니다. 그리고 금속 조각 위에 철사를 감아 V자형으로 만듭니다. 이 때 철사의 길이를 적절하게 조절해 철사가 아래쪽으로 처지지 않도록 합니다. 그리고 반대편에 자석을 금속 조각을 고정시킨 높이에 붙입니다. 그러면 철사의 한쪽 끝이 자석에 끌리는 것을 볼 수 있습니다. 철사의 끝부분을 가열할 수 있도록 양초를 적당한 길이로 자르고 나무판 위에 고정시킨다. 양초에 불을 붙이면 V자형 철사가 좌우로 움직입니다. V자형 철사의 한쪽 끝이 자석에 끌리다가 양초에 의해 가열되어 뜨거워지면 자성을 잃게 됩니다. 그러면 다른 쪽의 철사가 자석에 끌려가고, 다시 이 철사가 뜨거워져서 자성을 잃으면 차가워진 쪽의 철사가 자석에 끌려갑니다. 결국 V자형의 철사가 좌우로 움직이게 되는 셈입니다. 철사는 항상 자석에 이끌리는 것이 아니라, 일정 온도가 넘어서면 자성을 잃어 자석에 붙지 않습니다.

이 때의 온도를 피에르 퀴리의 이름을 따서 퀴리 온도 혹은 퀴리점이라고 합니다. 철이나 니켈, 코발트와 같은 물질은 자석에 잘 붙는 성질을 가지는 강자성체라고 합니다. 자석에 철이 붙는 것은 철 내부 자기의 방향이 일정해져서 일시적으로 자석이 됐기 때문입니다. 퀴리 온도 이상에서는 철 내부의 자기 모멘트의 방향이 흩어져서 자성을 잃게 됩니다. 즉, 퀴리 온도란 강자성 상태에서 상자성 상태로 변화할 때의 전이온도를 말합니다. 양초의 불꽃으로 가열하면 철의 퀴리 온도인 770℃ 이상으로 온도가 높아져서 철이 자성을 잃습니다. 양초의 겉불꽃은 온도가 1400℃ 정도이고, 속불꽃은 600℃ 정도입니다. 양초의 높이를 조절해 속불꽃으로 가열하다가 겉불꽃으로 가열하면 빠른 시간에 퀴리 온도에 도달할 수 있으므로 V자형 철사가 더욱 빠르게 좌우로 움직이는 것을 볼 수 있습니다.

학습목표

일정한 온도가 되면 자성이 사라지는 현상을 관찰해봅니다.

실험날짜          년      월      일

학년   반    이름 :

아래 보기의 물체들을 보고 자석에 붙는 금속과 붙지 않는 물체를 골라 나누어보세요.

[보기] 구리관, 알루미늄캔, 클립, 플라스틱막대, 나무젓가락, 유리판, 종이,

에나멜선, 압핀, 실, 못, 냉장고, 용수철, 손수건, 동전, 철가루, 나사

◎ 미리생각해보기

니크롬선 1개, 못 2개, 티라이트 초 1개,

네오디뮴자석 1개, 우드락보드 1장

(※ 직접 준비하세요 : 가위, 풀, 송곳, 투명테이프)

◎ 실험준비물

1. V모양 철사는 어떻게 되었나요?

2. 철사가 그렇게 되는 이유는 무엇인가요?

3. 겉불꽃에서 철사를 가열해보고 속불꽃에서 철사를 가열해보세요. 철사의 움직임은 어떤 차이가 있었나요?

◎ 실험결과 및 생각해보기

◎ 새롭게 알게 된 사실

◎ 느낀점