[Section 3] 자기 물질의 분류와 히스테리시스 곡선

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[INTRO] 전자기공학 미리보기

0. INTRO

전기장에서는 물질의 분류를 유전상수에 따라 분류했다. 자기장에서는 물질의 분류를 투자율에 따라 분류한다. 자유공간의 투자율과 상대적 투자율을 비교하여, 반자성체, 상자성체, 그리고 강자성체에 대해 알아보도록 한다. 

1. 물질의 분류

자성체의 분류는 투자율에 따라서 달라진다. 일반적으로 물질의 투자율이 높은 강자성체의 경우, 외부 자기장에 의해서 눈에 띌 정도로 자화가 크다는 성질을 지니고 있다. 이렇게 외부 자기장을 y축, 자화에 의해 생성된 대체 자기장을 x축으로 두는 그래프가 바로 이력현상(Hysteresis)을 의미하는 그래프인 것이다.  

A. 반자성(Diamagnetic) , μ_r ≤ 1

반자 성체의 예시로는 구리, 은, 금 등이 있다. 이 반자성 물질에 외부 자기장이 주어지면, 상대적으로 약한 투자율은 약한 반발력을 만든다. 일반적으로 모든 물질이 반자성 반응을  보이곤 하는데, 이는 물질이 전자를 포함하고 있기 때문이다. 하지만 상자성, 강자성 물질의 강한 반응에는 무시할 수 있을 정도로 작기 때문에 물질의 분류를 자성의 반응으로 구분할 수 있다. 

B. 상자성(Paramagnetic) , μr ≥ 1 

상자성체의 예시로는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 등이 있다. 상자성은 외부 자기장에 의해 자성이 생성되고, 외부 자기장이 사라지면 물질 또한 자성을 잃는다.

C. 강자성(Ferromagnetic) , μr ≫ 1 

강자성체의 예시로는 니켈, 코발트, 그리고 순수철 등이 있다. 강자성은 외부 자기장에 의해 자성이 생성되면, 자성을 유지하는 성질을 가지고 있다.

 

강자성(Ferromagnetism)은 그 개념을 자기화된 영역으로 구분하여 설명한다. 이 자기화된 영역을 자구(magnetized domains)라고 부르는데, 강자성 물질의 영역을 1 ~ 0.01 mm에 이르는 작은 자구들의 모임으로 구분한다. 이러한 자구들에는 약 10¹⁵ ~ 10¹⁶ 개의 원자들이 포함되어 있는데, 이러한 원자들이 만들어내는 자기 쌍극자는 전자의 스핀에 의한 결과로 해석된다. 양자 이론에서는 이러한 자구들의 쌍극자 모멘트의 배열이 일정하냐 아니냐에 따라 자기 물질의 현상이 달리 해석될 수 있다고 가정한다. 자구들의 경계를 자구 벽(domain wall)이라 부르고 이 자구 벽은 약 100개 정도의 원자들이 그 두께를 형성한다고 정의한다.

2. 히스테리시스 곡선의 이해

히스테리시스 곡선은 외부 자기장이 강자성 물질에 가해질 때, 자기장 방향으로 정렬된 자구 벽은 다른 자구벽을 침몰시키며 이동하게 된다. 이것은 자기장의 증가로 이어진다. 약한 자기장의 이 적용될 때는 자기장과 대체 자기장의 변화는 가역적이나, 점점 더 강한 자기장이 작용할 때, 자기장 B와 대체 자기장 H의 관계는 비가역적이게 된다. 이는 과거의 자기장 작용에 따라 현재의 상태가 달라진다는 내용이며, 이것을 이력현상이라고 부른다.

 

이력현상은 온도에도 영향을 받는것으로 알려져 있으나, 이에 대한 내용은 전자기공학의 범주를 벗어나는 것이므로 다루지 않겠다.

 

* 다음 강의는 자기장의 경계조건입니다.

[Section 3] 자기장의 경계조건(Boundary Condition)