쇳가루 등을 끌어당기는 자기력(磁氣力)을 가진 물체. 공업적으로 만들어지는 강한 자석을 영구자석이라 한다.

예로부터 알려진 천연자석은 자철석을 주로 한 암석인데, 최근의 영구자석 생산에서는 바륨페라이트(산화물) 자석이 가장 많다.

순철(純鐵)은 자기력이 약하지만, 밖에 코일을 감아 전류를 통하면 전류가 흐르는 동안은 강한 자기력을 나타낸다.

이것을 일시자석이라 한다.

내부의 순철을 제거하고 코일만 남겨도 전류를 통하면 일시자석같이 작용하므로 이것도 자석이라 부르기도 한다.

초전도코일을 사용한 초전도자석이 그 예이다.

영구자석은 용도에 따라 여러 가지 형태로 만들어지며, 자침(磁針) · 막대자석 · 고리자석 · 말굽자석 등이 있다.

자침은 지구자기(地球磁氣)의 작용으로 남북을 가리키는데, 북쪽을 가리키는 바늘 끝을 북극 또는 N극, 그 반대쪽을 남극 또는 S극이라 부른다.

자기컴퍼스(나침반)를 자석이라고 하기도 하며, 강자성(强磁性) 물질 모두를 자석이라 부르는 경우도 있다.

〔자기장과 자기모멘트〕자석 옆에 놓인 쇳조각은 자석에 끌린다.

이처럼 자기력을 받는 공간을 자기장이라 한다.

따라서 자석은 자기장을 만든다.

자석 위에 흰 마분지를 놓고 그 위에 쇳가루를 고루 뿌리면 사진 ①과 같은 자기력선 모양이 나타난다.

이 때 작은 자침을 마분지 위에 놓으면, 자침이 그 자기력선을 따르는 특정 방향을 가리킨다.

이 자침의 N극이 가리키는 방향을 자기장의 방향으로 정한다.

쇳가루는 자석의 양끝 부근에서 가장 강하게 끌린다.

자기력이 집중되어 있는 이 장소를 자기극(磁氣極)이라 한다.

자기극에는 N극과 S극이 있는데, 같은 종류의 극끼리는 밀어내고, 다른 종류의 극끼리는 서로 끌어당긴다.

사진 ②에서는 막대자석의 S극에 자침의 N극이 끌리고 있다.

두 극간의 힘은 거리의 제곱에 반비례하고 각 자기극의 세기에 비례하는「쿨롱의 법칙」을 따른다.

자기극의 세기와 두 극간 거리와의 곱을 자기모멘트로 정의한다.

자기극은 같은 세기의 N극과 S극이 반드시 한 쌍으로 되어 있으므로 자기극의 세기보다도 자기모멘트 쪽이 본질적인 물리량(物理量)으로 생각된다.

자기모멘트는 S극에서 N극으로 향하는 벡터로 표시한다.

2개의 자기모멘트 사이의 힘을 계산하면 거리의 4제곱에 반비례한다.

이것이, 두 자석간의 인력이 매우 접근했을 때는 강하고, 떨어지면 급속히 약해지는 이유이다.

다른 종류의 극은 서로 끌어당겨 자기극을 없애고, 전체의 합성 모멘트를 작게 하는 위치에 있으려고 한다.

코일에 전류를 통한 일시자석에서 원형으로 흐르는 전류는 자기모멘트를 발생한다.

따라서 원형전류와 자석은 같은 성질을 가진다(사진 ③, ④).

이 동등성은 자기의 본질에서 중요한 관계이다.

〔내부구조〕쉽게 깨지는 페라이트 자석을 쪼개 보면 깨진 파편은 각각 자석이 되고, 분말로 만들어도 모두 작은 자석이 된다.

실험은 이 단계에서 끝나지만, 분할의 궁극은 원자이다.

자기학(磁氣學)에서는, 개개 원자는 자기모멘트를 가진 원자자석이고, 그것들이 모멘트의 방향을 맞추고 정렬해 있다고 생각한다.

이러한 성질은 철족원자(鐵族原子)나 희토류 금속원자 등 특별한 종류의 원자가 가진 특성으로, 이들 특별한 원자를 포함한 물질만 강자성체(强磁性體)가 될 수 있다.

미시적으로는 원자자석의 원인은 주로 원자 속의 전자의 자전(스핀)에 수반되는 자기모멘트 때문이다.

전자의 자전이 전하(電荷)의 원운동, 곧 원형전류라고 생각한다면, 자기모멘트를 갖는 까닭을 이해할 수 있다.

강자성체 내부는 이와 같이 처음부터 자석으로 되어 있는데, 이를 자발자화(自發磁化)라 한다.

반면에 순철 등이 보통자석으로 보이지 않는 것은 내부가 미세한 영역(자기구역〈磁氣區域〉)으로 나누어져, 각 자기구역의 자기모멘트가 서로 상쇄되도록 배열되어 있어 전체로서는 자기모멘트가 없기 때문이다.

이것을 자기소거(磁氣消去 ; 消磁) 상태라고 한다.

자기장 속에 들어가면 자기장과 반대방향의 자기구역은 자기장 방향으로 형태나 방향을 바꾸어, 전체로서의 자기모멘트가 생긴다.

이것을 자화(磁化)한다고 한다.

자기장이 강해 모든 자기구역이 자기장 방향을 향하고, 전체가 1개의 자석으로 된 상태가 자기포화(磁氣飽和)이다.

쇳조각이 자석에 끌리는 현상은 자석이 만드는 자기장에 의해 쇳조각이 자화되어, 두 자석이 서로 힘을 끼치는 것이라고 설명된다.

자석으로부터 멀리 떨어지면 쇳조각은 다시 본래의 상태로 돌아가 자기모멘트를 거의 잃어버린다.

〔영구자석의 재료〕자화는 자기구역의 모양 · 배치 · 방향 등이 변함으로써 진행된다.

그것이 잘 변하지 않는 구조의 것은 일단 자화되면 자기장을 0으로 만들어도 본래 상태로 돌아가지 않고 자기모멘트가 남는다.

이 잔류자화가 큰 것이 영구자석이다.

잔류자화를 영으로 만들려면 반대방향으로 자기장을 건다.

이 자기장의 세기를 보자력(保磁力)이라 하며, 보자력이 클수록 안정된 영구자석이다.

자기구역 형상이 변하기 어려운 구조로서, 자석을 미립자의 집합처럼 만들어 각 미립자를 한 자기구역으로 만드는 방법이 있다.

이로써 자기구역 형상은 고정되어 변하지 않으며, 자화는 자기모멘트의 회전만으로 진행되어 보자력이 커진다.

이것을 분말자석의 원리라 하는데, 오늘날의 영구자석의 재료는 모두 직접 또는 간접으로 이 원리에 의해 제조된다.

이와는 반대로 일시자석의 자성체는 전류를 끊어 자기장이 제거되면 즉시 자기모멘트를 잃는 것이 바람직하므로, 보자력이 작고 자화되기 쉬운(즉, 자화율이 높은) 물질이 쓰인다.

순철 · 퍼멀로이 합금 · 망간아연페라이트 등이 그 예이다.

잔류자화를 가진 것을 자기소거해야 할 경우에는 큰 교류자기장(交流磁氣場)에 넣어 자기장을 서서히 0으로 만드는(교류소거) 방법이 쓰인다.

원자자석이 열진동 때문에 정렬되지 않을 때까지 온도를 높이면 완전한 자기소거가 된다.

이 온도를 퀴리온도라 한다.

그러나 이 열소거(熱消去)를 실용적으로 이용하기는 어렵다.