[신나는 과학이야기] 퀴리엔진 실험

우리가 우리의 꿈에 도취해서 함께 살 수만 있다면 얼마나 좋을까 싶소. 당신이 조국에 대해 품는 꿈, 인류에 대해, 그리고 학문에 대해 우리가 함께 꾸는 꿈, 그런 꿈에 도취해서 말이오.(피에르 퀴리)

‘물질의 자화율이 절대온도에 반비례한다.’는 퀴리의 법칙을 이용한 퀴리엔진.
영동중 제공

프랑스의 여성 과학자로 유명한 마리 퀴리 부인에게 남편인 피에르 퀴리가 결혼 전에 보낸 편지의 일부이다. 피에르와 마리는 인생의 반려자뿐만 아니라 학문적 동반자로서 서로 격려하고 아껴준 것으로 유명하다. 퀴리 부부는 폴로늄과 라듐을 발견해 1903년 노벨물리학상을 받았다. 피에르 퀴리는 자성 물리학을 연구해 ‘물질의 자화율이 절대온도에 반비례한다.’는 퀴리의 법칙을 발표했는데, 이를 이용한 간단한 장치를 만들어보면 원리를 쉽게 알 수 있다.



나무판의 양쪽에 굵은 못을 박고, 한쪽 못에 얇은 금속 조각을 고정시킨다. 그리고 금속 조각 위에 철사를 감아 V자형으로 만든다. 이 때 철사의 길이를 적절하게 조절해 철사가 아래쪽으로 처지지 않도록 한다. 그리고 반대편에 자석을 금속 조각을 고정시킨 높이에 붙인다. 그러면 철사의 한쪽 끝이 자석에 끌리는 것을 볼 수 있다. 철사의 끝부분을 가열할 수 있도록 양초를 적당한 길이로 자르고 나무판 위에 고정시킨다. 양초에 불을 붙이면 V자형 철사가 좌우로 움직인다.V자형 철사의 한쪽 끝이 자석에 끌리다가 양초에 의해 가열되어 뜨거워지면 자성을 잃게 된다. 그러면 다른 쪽의 철사가 자석에 끌려가고, 다시 이 철사가 뜨거워져서 자성을 잃으면 차가워진 쪽의 철사가 자석에 끌려간다. 결국 V자형의 철사가 좌우로 움직이게 되는 셈이다. 철사는 항상 자석에 이끌리는 것이 아니라, 일정 온도가 넘어서면 자성을 잃어 자석에 붙지 않는다. 이 때의 온도를 피에르 퀴리의 이름을 따서 퀴리 온도 혹은 퀴리점이라고 한다. 철이나 니켈, 코발트와 같은 물질은 자석에 잘 붙는 성질을 가지는 강자성체이다. 자석에 철이 붙는 것은 철 내부 자기의 방향이 일정해져서 일시적으로 자석이 됐기 때문이다. 퀴리 온도 이상에서는 철 내부의 자기 모멘트의 방향이 흩어져서 자성을 잃게 된다. 즉, 퀴리 온도란 강자성 상태에서 상자성 상태로 변화할 때의 전이온도를 말한다. 양초의 불꽃으로 가열하면 철의 퀴리 온도인 770℃ 이상으로 온도가 높아져서 철이 자성을 잃는다. 양초의 겉불꽃은 온도가 1400℃ 정도이고, 속불꽃은 600℃ 정도이다. 양초의 높이를 조절해 속불꽃으로 가열하다가 겉불꽃으로 가열하면 빠른 시간에 퀴리 온도에 도달할 수 있으므로 V자형 철사가 더욱 빠르게 좌우로 움직이는 것을 볼 수 있다.

김경은 영동중 교사