마그네틱 하면 우린 그저 '자석'이란 단순한 물체만 떠올릴 뿐이지만 너무 심오하고 해석해야할 부분이 많은 분야이며 현재 밝혀진 것만으로도 미래사회에선 '반도체'를 대체할 수 있는 핵심 물질로 여겨지고 있는 정도죠.

자성의 기원을 설명하는 방법이 몇가지 있지만...너무 용어가 복잡하고 그 이해도 힘들기 때문에 가장 간단한 방법으로 설명을 할께요.

중학교 물리시간에 전선에 전류를 흘리면 그 전선 주위로 자기장이 발생한다고 배우셨을 겁니다.

이와 같은 원리를 수소원자에서 생각해 보면 됩니다.

수소원자안엔  한개의 전자가 포함되어 있고 이 전자는 원자핵 주위를 쉼없이 공전하고 있어요. 전자가 원자핵 주변을 돌고 있다 함은 전자가 원을 그리며 회전을 하고 있다는 뜻이고 이는 곧...전자운동의 반대방향으로 원형전류가 흐르고 있다는 뜻입니다.

원형전류가 흐르니 그 내부를 관통하는 자기장이 생기게 되고 이것이 한 원자내에서의 자성모멘트이며 쉽게 말해 스핀이라고 합니다. (물론 이 스핀이라는 것을 더욱 자세히 이해하기 위해서는 전자가 원자핵을 돌 뿐 만 아니라 전자 자체가 자전도 하기 때문에 그로인해 미치는 영향 등 여러 모멘트를 고려해야 하지만 굉장히 복잡한 과정이니 이정도로만 이해하셔도 괜찮을 거 같습니다.)

전자의 궤도축을 일정하다 가정하면...전자의 운동방향에 따라 자기장의 방향은 위나 아래 두 방향이 될 수 있고 때문에 위로 향하는 자기장은 upspin 아래로 향하는 자기장은 downspin이라고 합니다.

여기까지는 전자수가 1개인 수소원자를 모델로 해서 자성의 기원을 설명한 것이고 원자번호가 증가해 전자수가 많은 물질의 경우는 고등학교 화학시간에 배우는 s p d 등의 오비탈과 그 안에 차지하는 전자를 가지고 설명하면 좋겠네요.

파울리배타의 원리에 위배되지 않게 각 방에 전자가 2개씩 들어갈 수 있는 이유는 바로 전자가 업스핀과 다운스핀을 가지고 있기 때문이죠.

d 오비탈은 전자가 들어갈 수 있는 방이 5개이고 각각 전자가 2개씩 들어갈 수 있는데 채우는 순서는 업스핀들이 각방을 하나씩 채운 다음 다운 스핀들이 차례로 다시 방을 채우게 되죠.

그렇다면 원소에 따라서(전자수에 따라서) 방이 업스핀과 다운스핀으로 차있지 않고 업스핀만 존재하는 방도 있겠죠?

방이 업스핀과 다운스핀을 둘다 가지고 있으면 이 스핀들은 서로 상쇄가 되어 실질적인 자기 모멘트를 발생하지 않지만...업스핀만 가지고 있는 방은 위방향으로의 자기모멘트를 가지게 됩니다. 때문에 이렇게 업스핀만있는 d오비탈의 숫자가 많은 수록 그 자기 모멘트의 힘은 커지죠.

때문에 이렇게 d오비탈이 업스핀 하나만 차있는 방이 많은 물질을 자석으로 사용할 수 있게 됩니다. 주기율표에서 따지면 3족에서 12족의 원소들이 이에 해당하죠.

물론 자성체에도 그 강도에 따라 상자성체 반자성체 강자성체 등등 여러가지 종류가 나뉩니다. 상자성체는 평소엔 각원자의 모멘트(결국 자기장)의 방향이 랜덤으로 흩어져 있어 실질적인 모멘트의 합이 0이 되어 자석의 성질을 띠지 않다가...외부에서 자기장을 줄 때만 그 자기장의 방향대로 스핀들이 정렬되어 비로소 자성을 갖는 물질이구요...

강자성체는 외부에서 자기장을 주지 않아도 그 혼자만으로도 각원자들의 스핀이 한 방향으로 배열해서 자성을 갖는 물질입니다.

때문에 우리가 흔히 보는 자석은 이러한 강자성체이고 일반적으로 자성에 대해 말할 때도 이러한 강자성체에 대해 말하고 있습니다.

이제 본 질문하신 것에 대한 답변입니다.

왜 같은 극끼리는 밀어내려고 하느냐...

바로 각 원자들이 같은 방향의 스핀배열을 하려고 하는 이 강자성체라는 물질의 특성입니다.

위에 말씀드린 대로 각원자는 스핀이라는 자기장을 가지고 있고 그렇다면 이 원자 하나에서도 스핀의 방향대로 N극과 S극이 존재하는 것인데 강자성체의 특성이 이 원자들의 스핀배열을 한방향으로 갖는 물질이기에  (N-S)-(N-S)-(N-S)-(N-S)-(N-S)-(N-S)-(N-S) 의 배열을 하는 것이고 이 각각의 모멘트들이 합쳐져서 전체적으로는 

   <==N<=====================S<== 인 자기장을 형성하는 것이지요.

자기장이란 곧 '자기력'이라는 '물리적인 힘'이 작용하는 공간입니다.

N극은 위 화살표처럼 자기장을 내뿜어 외부에 힘을 주는 공간이고 S극은 자기장을 흡수해서 외부로부터 힘을 받는 공간이죠.

이는 역으로 "N극은 -자기장을 흡수해 외부로부터 -힘을 받고 S극은 -자기장을 내뿜어 외부에 -힘을 준다"라고 표현해도 좋습니다.

때문에 이렇게 이루어진 강자성체 물질주변에 철등의 다른 자성물질이 근접할 경우 S극은  N극과,  N극은 S극과 연결되려 하는 성질은 N-S-....-N-S의 배열만 하려는 강자성체란 물질의 특성이다라고 설명해도 좋고...

+자기장을 내뿜어 서로 +힘을 주려는 N극끼리는 접근을 허용하지 않고 -자기장을 내뿜어 서로 -힘을 주려는 S극 끼리는 접근을 허용하지 않는다라고 해도 좋습니다.

열역학적인 개념으로...우리주위의 물질들은 자신이 가지고 있는 에너지를 낮추는 방향으로 이동합니다. 에너지가 최대한 낮아지는 것이 그 물질이 안정한 상태라는 말입니다.

예를 들어 10층 높이에서 위치에너지를 갖는 공은 그 위치에너지를 낮추기위해 아래로 떨어져야 안정하게 되고 박찬호 선수가 던진 운동에너지를 가진 공은 그 운동에너지를 낮추기 위해 날아가다 서서히 멈추면서 안정하게 되며 뜨거운 물질은 그 열에너지를 낮추기 위해 식어야 안정해 지는 것처럼 말이죠.

이렇게 우리주위에서 일어나는 당연한 현상들은 "에너지가 높아 불안정한 상태에서 안정한 상태로 변화"하는 데에 목적이 있는 것입니다.

에너지라 함은 다른 물질에 '힘'을 미쳐서 일을 할 수 있는 능력인즉... 결국 우리 주위의 물질들이 에너지를 낮추는 방향으로 이동하려 한다 함은 최대한 다른 물질에 힘을 미치지 않으려는 방향으로 이동을 한다는 의미인 것이지요.

즉 자석에서도 서로 힘을 내뿜어야 하는 같은 극성끼리 억지로 붙이려 하면 힘을 내뿜어야 하는 자기장의 공간이 줄어들게 되니 서로 그 공간을 확보하려는 또 다른 힘을 작용하게 됩니다. 이럴바에야 차라리 자신이 원하는 만큼의 힘을 내뿜을 수 있도록 멀리 두는 것이 에너지적으로 안정하며 힘을 주려고 하는 극성과 힘을 받으려 하는 극성끼리는 서로 붙여줘서 이 힘을 0으로 상쇄시켜주는 것이 에너지적으로 안정한 것이지요.