자성체에 대하여

자성체는 특성에 따라 몇 가지 종류로 구별됩니다.

이번 포스팅에서는 자성체의 물리적인 특징에 대하여 알아보도록 하겠습니다.

 

자성체

자성체의 가장 대표적인 세가지는 반자성체, 상자성체, 강자성체 입니다. 이들을 분류하는 기준은 다음과 같습니다.

1. 반자성체 : lXml<<1, Xm은 음수

2. 상자성체 : lXml<<1, Xm은 양수

3. 강자성체 : lXml>>1

이렇게 나뉘어 집니다.

μr = Xm + 1 이므로 반자성체와 상자성체의 상대 투자율 값은 1에 아주 가깝습니다.

강자성체의 경우에는 μr과 Xm 값은 사실상 같다고 볼 수 있습니다. 반자성체와 상자성체는 lXml << 1 이라는 것을 잘 알아두길 바랍니다.

Xm 값은 보통 +-10^-5 입니다. 따라서 M = XmH이므로, 자화 M의 크기는 인가된 자기 세기 H보다 훨씬 작습니다.

예를 들어, 단위길이당 감은 횟수가 N인 긴 솔레노이드에 전류 I가 흐른다고하면, 솔레노이드의 내부가 공기로 채워져 있는 경우에 자기 선다발 밀도는

B1 = μ0H = μ0NI 입니다.

솔레노이드의 내부가 반자성체나 상자성체로 채워져 있는 경우에는

B2 = μ0H + μ0M = μONI(1+Xm) = B1(1+Xm) 입니다.

선다발밀도의 변화 비율은 10^-5 정도이므로 반자성체나 상자성체로 만들어진 원통 모양의 막대를 솔레노이드에 집어넣은 효과는 사실상 무시할 수 있습니다.

 

반자성체나 상자성체를 비자성체라고도 하는데, 그 까닭은 이들 물체가 나타내는 자기현상의 크기가 아주 작기 때문입니다. 예를 들어 은은 반자성체이고 알루미늄은 상자성체이지만 두 금속을 보통 비자성체라고 부릅니다. 패러데이는 1846년 반자성체와 상자성체를 발견했습니다. 패러데이는 장이 강한 영역으로 끌어 당겨지는 물체가 있는 반면에 강한 영역에 의해 밀쳐지는 물질이 있다는 것을 알았습니다. 반자성체는 자기장에 의해 밀쳐지는 반면, 그 밖의 물체들은 끌어당겨집니다.

 

반자성체

 

반자성체와 상자성체에서 일어나는 현상은 그 물체를 구성하는 분자의 자기모멘트로 설명할 수 있습니다. 자기 모멘트에 가장 크게 기여하는 성분 두 가지는 다음과 같습니다.

1. 원자의 핵 주위를 공전하는 전자의 움직임

2. 전자의 스핀

(이 외에도 크기는 아주 작지만 핵의 스핀 모멘트가 있습니다.)

 

반 자성체를 구성하는 분자들은 외부에서 가해진 자기장이 없을 때는 위의 1, 2 에 의한 알짜자기 모멘트가 0입니다.

외부 자기장이 인가되면 움직이는 전자에 가해지는 힘은 공전궤도를 따라 도는 전자의 속도를 변화시켜 자기 쌍극자의 알짜 자기 모멘트를 발생시킵니다.(궤도 운동을 하는 전자는 작은 루프 전류를 만듭니다.)

알짜 자기 모멘트 m과 단위 부피당 자화 M은 외부자기장을 거스릅니다. 따라서 다음과 같습니다.

 B = μ0H + μ0M

여기서 H는 외부 장이고 M은 이 외부 장 H를 거스릅니다. 외부 장 H가 사라지면 자화 M은 다시 0이 되어 외부장에 의한 영향은 사라집니다.

 

이번 시간에는 자기장 파트의 자성체에 대하여 고찰해 보았습니다.

자기학을 학습할때 자성체의 대표적인 세가지 특성인 반자성체, 상자성체, 강자성체의 특징에 대하여 알고 대표적인 물질의 종류와 자화율에 대해서는 어느정도 숙지가 필요합니다. 이번 포스팅을 통해 이를 학습하시면 좋을것 같습니다.