KR20090107009A - 지구자기장을 설명하기 위한 방법 및 지구본 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 속이 빈 구 형태의 자성체 내면 또는 외면에 전선을 코일 형태로 감은 지구본을 사용하여 지구자기장의 생성과 소멸의 이유를 설명할 수 있도록 하였다.

지구본, 지구자기장, 다이너모이론

Description

지구자기장을 설명하기 위한 방법 및 지구본 {Method and Globe to Explain the Terrestrial Magnetism}

본 발명은 지구자기장의 생성과 소멸 현상을 이해시키기 위한 방법 및 학습용 지구본에 대한 것이다.

지난 150년 동안에 걸쳐 약 15%가 감소하였다고 하는 지구자기장은 우주공간으로부터 지구로 쏟아져 들어오는 막대한 양의 방사선을 막아 주어 인간이 지구 위에서 살아갈 수 있는 환경을 제공하고 있으므로, 지구자기장의 생성이유 및 그동안 지구자기장이 감소한 원인을 밝혀내고 대책을 마련하는 일은 인간이 계속 생존하기 위해서 중요한 일에 해당된다고 할 수 있다. 1905년 앨버트 아인슈타인(Albert Einstein)은 특수 상대성이론을 발표한 직 후 '지구자기는 현대물리학으로 설명할 수 없는 큰 난제 중의 하나'라고 밝힌바 있다. 지구자기장을 설명하는데 있어서 현재 가장 널리 받아들여지고 있는 다이너모이론(Dynamo Theory)은, 독일 태생의 미국의 물리학자 발터 M. 엘자서와 영국의 지구물리학자 에드워드 불러드에 의해 제 안되었는데 이 이론은 1920년 J.라모가 태양의 자기장을 설명하기 위해 처음으로 사용한 가설을 정립한 것이다. 다이너모이론은, 지구 외핵의 유체운동이 외부 자기장의 영향을 받아 유도전류를 형성하고 이 유도전류는 지구회전축을 따라 자기장을 만든다는 가설로서, 1934년 콜링으로부터 그 모순이 지적된 바 있다.

학습용 또는 전시용으로 사용되고 있는 대부분의 지구본은 자전에 의한 낮과 밤의 이유 및 공전과 함께 계절의 변화를 설명하거나 각 나라의 위치를 확인하는 용도로 사용되고 있을 뿐 지구자기장의 생성이유는 설명할 수 없다. 지구본 내부에 일반적인 형태의 전자석 또는 영구자석을 넣은 구조의 등록실용신안 '20-0401058'을 사용하면 지구가 자기를 띠고 있다는 것 정도는 설명할 수 있겠지만 이런 형태의 지구본을 사용하더라도 지구자기장의 생성 및 소멸의 이유에 대해서는 설명할 수 없는 것이 현실이다.

본 발명은 지구자기장의 생성 및 소멸이유를 설명할 수 있는 지구본을 구현하는 데 있다.

지각, 맨틀, 외핵 및 내핵으로 구분되는 지구는 수백가지 이상의 원소로 구성되어 있으며 특히, 칼륨과 루비듐 및 토륨과 우라늄 계열의 원소는 방사성동위원소에 해당한다. 이들 방사성 원소가 안정한 원소로 변화하기까지의 과정을 살펴보면 칼륨과 루비듐은 음전자(e-)에 해당하는 베타선을 각각 1개씩 방출하며, U-238은 헬륨의 원자핵(He++)에 해당하는 알파선을 8번, 베타선을 6번 방출하며, U-235는 알파선을 7번, 베타선을 4번 방출하며, Th-232는 알파선을 6번, 베타선을 4번 방출하고 있음을 알 수 있다. 지구의 표면에 해당하는 지각을 구성하는 성분 중에는 토륨과 우라늄에 비해 칼륨과 루비듐에서 방출한 음전하가 많은 상태에 있지만(표1) 중심으로 들어갈수록 토륨과 우라늄의 존재비는 상대적으로 증가하게 될 것이며 결국, 전하의 관점에서의 지구는 중심부로 들어갈수록 양전하가 높아지는 '도3'과 같은 형태일 것이라고 충분히 예측할 수 있다. 이런 형태의 거대한 양전하 덩어리에 해당할 수 있는 지구가 자전함에 따라 지구자기장이 생성된다는 새로운 가설(Park's Hypothesis, 대한방사선방어학회 2005년 국제심포지엄 및 추계학술발표회 발표논문)은 그동안의 지구자기 소멸이유를 설명할 수 있으며 또한 대책을 마련 할 수 있게 할 뿐만 아니라, 지구자기의 생성과 소멸을 이해시키기 위한 지구본의 제작을 가능하게 한다.

지각에 분포하는 방사성동위원소에서 방출하는 방사선에 의한 전하량 비교 (출처: 우주선 차폐에 기여하는 지구자기의 생성과 소멸에 대한 또 다른 가설, 대한방사선방어학회 2005년 국제심포지엄 및 추계학술발표회 발표논문 p78)

Positive Charge(%)			Negative Charge(%)
Th-232	U-235	U-238	Rb-87	K-40
20.2	1.2	25.5	38.4	14.6
47			53

기존의 다이너모이론 만으로는 설명할 수 없었던 지구자기의 생성 및 소멸이유를 지구본을 사용하여 쉽게 설명할 수 있게 되었다.

지구가 자전할 때 거대한 양전하의 이동방향은 전류가 흐르는 방향과 같다고 할 수 있으므로 전류의 흐름에 따른 자기장의 생성이론을 적용하면 지구자기의 생성원리를 설명할 수 있을 것이다. '도4'에서와 같이 전선(Electrical Wire)을 코일(Coil)의 형태로 감은 상태에서 전류를 흘려보내면 코일의 양쪽 끝 부분을 중심으로 하여 자기장이 생성되는데, '도4의 (A)'와 같이 오른손의 4개 손가락을 전류가 흐르는 방향으로 감싸는 경우 오른손 엄지 방향이 'N'극이 된다는 것은 이미 앙 페르의 법칙 또는 오른나사의 법칙으로 잘 알려진 사실이다. '도4의 (B)'에서는 코일 속에 철과 같은 자성체 막대를 넣게 되면 극성은 바뀌지 않은 채 자기의 세기만 코일을 넣기 전에 비해 수백배 이상 증가하게 되는 전자석의 원리를 설명하고 있으며, '도4의 (C)'에서는 코일의 바깥쪽에 자성체를 감싸는 경우 코일 자체의 자기장에 비해 큰 반대방향의 자기장이 코일만의 작은 자기장을 극복하여 자기장 역전이 일어나는 것을 설명하고 있다.

지구자기장을 이해하기 위해서는 위에서 설명한 자기유도의 지식뿐만 아니라 다음과 같은 5 단계의 이론교육이 선행되어야 할 것이다. ①지구를 구성하는 주요 원소는 강자성체에 해당하는 철이라는 것을 이해시키는 단계 (이미 고등과정의 지구과학 교과서에 설명되어 있는 내용), ②지구의 표면은 비교적 가벼운 원소(SiO2, Al2O3, Etc.)로 구성되어 있으며 내부로 내려갈수록 무거운 원소(Thorium & Uranium Series, Etc.)의 함유량이 증가하게 된다는 것을 이해시키는 단계, ③지구에 전하를 부여할 수 있는 원소 중에서 베타선을 방출하는 원소(K-40, Rb-87, Etc.)의 영향력은 알파선을 방출하는 원소(Thorium & Uranium Series, Etc.)의 영향력에 비해 낮다는 것과 결과적으로 지구는 양전하를 띤 거대한 물체라는 것을 이해시키는 단계, ④알파선을 방출하는 방사성동위원소는 상대적으로 무겁다는 사실을 통하여 지구는 중심으로 들어갈수록 양전하의 비율이 높아지게 된다는 것을 이해시키는 단계, ⑤이와 같은 구조의 지구가 자전하는 경우 북쪽은 'S'극 남쪽은 'N'극으로 하는 지구자기장이 생성된다는 것을 이해시키는 단계로 구분할 수 있다. 또한, 철, 니켈, 코발트 등과 같은 강자성체와 알루미늄, 주석, 망간, 크롬, 백금, 이리듐 등과 같은 상자성체는 외부 자기장과 같은 방향으로 자화하는 성질이 있는 원소라는 것과 비스므트, 안티몬, 금, 은, 수은 등과 같은 반자성체는 외부 자기장과 반대 방향으로 자화하는 성질이 있는 원소라는 것 및 지구를 구성하는 원소 중에서 자성체와 반자성체의 존재비를 확인시키는 과정도 필요할 것이라 여겨진다. 지구는 핵적으로 가장 안정한 철을 주요 구성성분으로 하고 있으므로 상대적으로 적은 존재비의 반자성체에 의한 역자기 효과는 무시할 수 있을 것이며 결국, 지구는 중심으로 내려갈수록 양전하를 방출하는 원소의 함유량이 높아지는 '도3'과 같은 강자성체의 덩어리로 표현할 수 있게 될 것이다. '도3'과 같은 구조의 지구가 자전하는 경우 '도4'의 '(C)'와 '(D)의 중간 상태에 해당하는 자기장이 지구 주위에 형성될 것이라 예측할 수 있으며, 이를 통하여 지구의 북쪽이 'S'극인 것을 설명할 수 있다. 본 발명의 이해를 돕기 위해 '도1'과 같은 극단적인 형태의 지구본을 만들어 아래의 실시예를 통하여 설명하고자 하며 본 발명은 이에 국한되지 않는다.

<실시예>

철판 또는 철망을 구(Sphere)의 형태로 가공한 후 상 하단에 자전축에 해당될 수 있는 지지대에 결합시키기 위한 구멍을 뚫은 다음 자전축으로부터 약 6°떨어진 지점(자축, Magnetic Axis)을 중심축으로 하여 구의 내면과 외면에 전선을 코일형태로 각각 감되, 남쪽에서 보았을 때 시계방향으로 충분히 감은 다음, 내면의 권선(Winding Wire)은 '도2'의 왼쪽 전환스위치 'IN'에 연결하고 외면의 권선은 '도2'의 오른쪽 전환스위치 'OUT'에 연결하여 '도1'과 같은 구조의 지구본을 완성한 다. '도2'의 오른쪽에 위치한 전환스위치 'OUT'는 '0'으로 한 상태에서 왼쪽에 위치한 전환스위치 'IN'을 1에서 3까지 조절하면 지구자기장은 숫자의 크기에 비례해서 커지게 되는데 이때 지구본 자축의 하단부가 'N'극이 되고 자축의 상단부는 'S'극이 되는 것을 확인할 수 있다. 왼쪽에 위치한 전환스위치 'IN'을 '0'으로 한 상태에서 오른쪽에 위치한 전환스위치 'OUT'를 1에서 3까지 조절하면 지구자기장은 숫자의 크기에 비례해서 커지게 되는데 이때에는 지구본 자축의 하단부가 'S'극이 되고 자축의 상단부는 'N'극이 되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 'IN'과 'OUT'를 동시에 작동하면 지구자기장이 감소하는 이유 및 역전 현상을 간접적으로나마 설명할 수 있을 것이다. 본 발명을 적용하는데에 있어서, 철과 같은 자성체로 만들어진 속이 빈 구의 한쪽 면에만 전선을 코일형태로 감거나, 전선을 감는 방향을 반 시계방향으로 하거나, 전극을 반대로 연결하는 등의 조합 및, 원통형 자성체 내부에 코일을 감은 형태의 전자석을 이용한다면 본 발명과 같은 효과를 얻을 수 있는 지구본 제작도 가능할 것이지만 이는 지구자기의 생성과 소멸의 이유를 이해시키기 위한 교육적 차원에서 바람직하다고 할 수는 없을 것이다.

도1. 본 발명 지구본을 설명하기 위한 그림으로서, 23.5°기울어진 자전축으로부터 약 6°위치에 있는 자축을 중심으로 하여 남쪽에서 보았을 때 전선을 시계방향의 코일 형태로 감은 지구본의 단면도에 해당하며, 철과 같은 자성체로 만들어진 속이 빈 구를 중심으로 내면과 외면에 각각 전선이 독립적으로 감겨 있음을 알 수 있다.

도2. 지구본의 밭침 윗면에 위치한 전원스위치를 설명하기 위한 그림으로서, '0'은 전원을 차단한 상태이며, '1' 내지 '3'은 전류량의 세기를 3단계로 조절할 수 있음을 각각 나타낸다. 왼쪽에 위치한 전환스위치 'IN'은 속이 빈 구의 내면에 감겨 있는 권선에 전류를 공급하기 위한 것이며, 오른쪽에 위치한 전환스위치 'OUT'는 속이 빈 구의 외면에 감겨 있는 권선에 전류를 공급하기 위한 것을 표시한다.

도3. 지구의 전자기적 구조를 이해시키기 위한 그림으로서, 강유전체인 철을 주요 성분으로 하고, 중심으로 내려갈수록 토륨과 우라늄의 붕괴계열에서 방출하는 알파선에 의한 영향으로 양전하가 높아진다는 것을 나타낸다.

도4. 전선을 코일형태로 감은 상태에서 전류를 흘려보내면 코일의 양쪽 끝 을 중심으로 하여 자기장이 생성되는데, 오른손의 4개 손가락을 전류가 흐르는 방향으로 감싸는 경우 오른손 엄지 방향이 'N'극이 된다는 것(A), 코일 속에 철과 같은 자성체 막대를 넣게 되면 극성은 바뀌지 않은 채 자기의 세기만 증가하게 된다는 것(B), 코일의 바깥쪽에 자성체를 감싸는 경우에는 코일 자체의 자기장에 비해 커진 반대방향의 자기장이 코일만의 작은 자기장을 극복하여 자기장 역전이 일어나게 된다는 것(C), 코일 속에 자성체 막대를 넣고 이와 동시에 코일의 바깥쪽에 자성체를 감싸는 경우에는 자기장이 소멸(D)하게 된다는 것을 각각 설명하고 있다.

Claims (2)

1. 전자석의 원리를 이용하여 지구자기장을 설명하기 위한 방법에 있어서,

   지구를 구성하는 주요 원소는 강자성체에 해당하는 철이라는 것을 이해시키는 단계, 지구의 표면은 비교적 가벼운 원소로 구성되어 있으며 내부로 내려갈수록 무거운 원소의 함유량이 증가하게 된다는 것을 이해시키는 단계, 지구에 전하를 부여할 수 있는 원소 중에서 베타선을 방출하는 원소의 영향력은 알파선을 방출하는 원소의 영향력에 비해 낮다는 것과 결과적으로 지구는 양전하를 띤 거대한 물체라는 것을 이해시키는 단계, 알파선을 방출하는 방사성동위원소는 상대적으로 무겁다는 사실을 통하여 지구는 중심으로 들어갈수록 양전하의 비율이 높아지게 된다는 것을 이해시키는 단계, 이와 같은 구조의 지구가 자전하는 경우 북쪽은 'S'극 남쪽은 'N'극으로 하는 지구자기장이 생성된다는 것을 이해시키는 단계를 특징으로 하는 전자석의 원리를 이용하여 지구자기장을 설명하기 위한 방법
2. 전자석의 원리를 이용한 지구본에 있어서,

   전자기를 유도하기 위한 자성체는 속이 빈 구의 형태로 하고, 구 형태의 자성체 내면 또는 외면에 전선을 코일형태로 감은 것을 특징으로 하는 전자석의 원리를 이용한 지구본

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