강자성에 대해서

문서 내 토픽

1. 강자성의 정의

강자성은 철, 니켈과 같은 금속 원소가 갖는 특징이다. 이런 물질에 들어있는 전자 중의 일부는 자기 쌍극자 모멘트가 정렬되어 있는데, 국소적으로 강한 자기 쌍극자모멘트를 갖는다. 그리고 이러한 금속 물질은 외부 자기장이 존재할 때 자기 쌍극자 모멘트를 자기장 방향으로 정렬시켜 강한 자기장을 만든다. 이때 생성된 자기장은 외부 자기장이 사라져도 남게 되는데 이렇게 외부 자기장이 사라져도 정렬된 자기 쌍극자모멘트가 남아있는 물질에 강자성체 혹은 자성 물질이라는 용어를 붙인다.
2. 쌍극자모멘트의 정렬 상태

일반적으로 자기에 관해 말할 때는 대부분이 막대자석이나 납작한 자석을 염두에 두고 있다. 즉, 약하거나 일시적으로 나타나는 반자성이나 상자성이 아니라, 강한 영구자성을 띠는 강자성을 생각하는 것이다. 실제 강자성을 띠는 철, 코발트, 가돌리늄, 디스프로슘과 이런 원소를 포함하는 합금은 강자성을 보이는데 이는 한 원자의 전자스핀이 다른 원자의 전자스핀과 상호작용하는 양자물리학적 효과 때문이다. 그 결과로 열적 요동에 의한 원자끼리의 막충돌에도 불구하고 원자들의 자기쌍극자 모멘트가 정렬 상태를 유지하는 것이다. 이러한 지속적인 정렬은 강자성체가 영구자성을 갖도록 한다.
3. 열적 요동과 퀴리온도

강자성 물질 온도가 Curie온도라고 부르는 임계 값 이상이 되면, 교환결합은 작동을 멈춘다. 이때 대부분 물질은 단순히 상자성이 된다. 즉, 쌍극자들은 아직도 외부 자기장 방향으로 정렬하려는 경향을 보이지만 그 크기가 훨씬 약해서 열적 요동이 정렬을 방해할 수 있다.
4. Rowland 고리와 순수 자기쌍극자에 의한 자기장

철과 같은 강자성체의 자기화는 Rowland고리라고 부르는 장치를 이용하여 측정할 수 있다. 먼저 측정하고자 하는 물질로 단면이 원모양인 얇은 토로이드 심을 만든다. 이후 1차코일은 단위 길이당 n번 감아 심을 감싸게 하고 전류 i_p가 흐르도록 한다. 이때 코일은 기본적으로 긴 솔레노이드를 원모양으로 굽힌 것이다. 만약 심이 존재하지 않는다고 할 때 코일 안의 자기장의 크기는 B_0 = mu_0 i_p n이다. 하지만, 실제 고리 내부에는 자성체로 이루어진 심이 존재하므로 코일 안의 자기장(B)은 심이 없을 때의 자기장(B_0)보다 매우 크다. B = B_0 + B_M에서 B_M은 심이 자기장에 이바지하는 크기이며, 이는 심을 구성하는 금속 원자의 자기 쌍극자모멘트가 정렬하였기 때문에 생긴다.
5. 자기구역

Curie온도 아래에서 강자성체의 교환결합은 인근 자기쌍극자를 강하게 정렬시킨다. 단결정체 상태의 강자성체 시료를 생각해보자. 이때 시료를 구성하는 원자들의 결정격자는 시료의 전체 부피를 통하여 규칙성이 깨지지 않은 상태이다. 그러한 결정들은 정상상태에 있을 때는 많은 자기구역으로 구성된다. 그리고 주어진 영역 안에서는 본질적으로 원자의 자기 쌍극자들이 완벽하게 정렬되어 있다. 그러나 구역들끼리는 서로 정렬되어 있지 않으므로 결정체 전체로 볼 때 구역끼리 서로 상쇄하는 모습이 생길 것이다.
6. 이력 곡선

외부 자기장 B_0가 주입되었다가 사라져도 강자성 물질의 자기화곡선은 원래대로 돌아가지 않는다. 초기 상태(점a) 외부 자기장(B_0)이 주어진다고 가정하자. 이때 강자성 물질은 B_0 = mu_0 i n의 식을 근거로 점 b의 상태가 될 때까지 토로이드의 전류를 증가시킨다. 이후 외부 자기장(B_0)이 사라지면 곡선을 따라 점 c를 통과하고 더 나아가 점 d의 수준까지 B_0의 크기를 변화시킨다. 이후 점 e를 통과하며 전류를 0으로 감소시킨 다음 전류의 방향을 다시 한번 바꾸어 점 b에 도달하도록 한다. 이렇게 강자성 물질이 외부 자기장(B_0)을 받았으나 외부자기장이 제거되어도 원래 상태(a)로 되돌아가지 않는 특성을 이력이라고 하며 이때 곡선 bcdeb를 이력곡선이라고 한다.

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1. 강자성의 정의

강자성은 외부 자기장이 제거되어도 자기화가 유지되는 물질의 자기적 성질을 말합니다. 이는 물질 내부의 원자 또는 이온들이 가지고 있는 자기 모멘트들이 서로 평행하게 정렬되어 있기 때문입니다. 이러한 정렬 상태는 교환 상호작용에 의해 유지되며, 이 때문에 강자성 물질은 자기장이 제거되어도 자기화가 유지됩니다. 강자성 물질은 자기장을 증폭시키는 성질이 있어 전자기기, 전동기, 변압기 등 다양한 분야에 활용됩니다. 따라서 강자성의 정의와 그 원리를 이해하는 것은 자기 현상을 이해하는 데 매우 중요합니다.
2. 쌍극자모멘트의 정렬 상태

물질 내부의 원자 또는 이온들이 가지고 있는 자기 모멘트들은 서로 평행하게 정렬되어 있습니다. 이러한 정렬 상태는 교환 상호작용에 의해 유지됩니다. 교환 상호작용은 양자 역학적 효과로, 인접한 원자 간 전자 스핀의 상호작용을 통해 발생합니다. 이 상호작용은 스핀이 평행한 경우 안정화되어 정렬 상태를 유지하게 됩니다. 따라서 강자성 물질에서는 원자 또는 이온의 자기 모멘트들이 서로 평행하게 정렬되어 있어 외부 자기장이 제거되어도 자기화가 유지되는 것입니다. 이러한 쌍극자모멘트의 정렬 상태는 강자성 물질의 자기적 성질을 이해하는 데 핵심적인 개념입니다.
3. 열적 요동과 퀴리온도

강자성 물질에서는 원자 또는 이온의 자기 모멘트들이 서로 평행하게 정렬되어 있지만, 열적 요동에 의해 이 정렬 상태가 깨질 수 있습니다. 열적 요동은 온도가 높아질수록 증가하게 되며, 일정 온도 이상에서는 자기 모멘트들의 정렬이 무너져 강자성이 사라지게 됩니다. 이 온도를 퀴리온도라고 합니다. 퀴리온도 이상에서는 물질이 상자성 상태로 전환되어 외부 자기장에 의해서만 자기화가 유도됩니다. 따라서 퀴리온도는 강자성 물질의 자기적 성질을 이해하는 데 매우 중요한 개념이며, 이를 통해 강자성 물질의 실용적 응용 분야를 파악할 수 있습니다.
4. Rowland 고리와 순수 자기쌍극자에 의한 자기장

Rowland 고리는 전류가 흐르는 도선이 만드는 자기장을 설명하는 개념입니다. 전류가 흐르는 도선 주변에는 자기장이 형성되며, Rowland 고리는 이 자기장의 세기와 방향을 나타내는 도구입니다. 한편, 순수 자기쌍극자는 자기 모멘트를 가지고 있지만 전하를 가지고 있지 않은 입자를 말합니다. 이러한 순수 자기쌍극자가 만드는 자기장은 Rowland 고리와는 다른 특성을 가지고 있습니다. 순수 자기쌍극자에 의한 자기장은 전류에 의한 자기장과는 달리 공간적으로 더 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 이러한 Rowland 고리와 순수 자기쌍극자에 의한 자기장의 특성을 이해하는 것은 자기 현상을 이해하는 데 중요합니다.
5. 자기구역

자기구역은 강자성 물질 내부에서 자기 모멘트들이 서로 평행하게 정렬된 영역을 말합니다. 이러한 자기구역은 교환 상호작용에 의해 형성되며, 인접한 자기구역 간에는 자기 모멘트의 방향이 다릅니다. 자기구역의 크기와 분포는 강자성 물질의 자기적 성질을 결정하는 중요한 요인입니다. 예를 들어, 자기구역의 크기가 작은 경우 자기 모멘트의 정렬이 더 안정적이어서 강자성이 더 강하게 나타나게 됩니다. 또한 자기구역의 분포에 따라 자기 이력 곡선의 모양이 달라지게 됩니다. 따라서 자기구역의 특성을 이해하는 것은 강자성 물질의 자기적 성질을 이해하는 데 매우 중요합니다.
6. 이력 곡선

이력 곡선은 강자성 물질의 자기화 과정을 나타내는 그래프입니다. 이 곡선은 외부 자기장의 변화에 따른 물질의 자기화 정도를 보여줍니다. 이력 곡선의 모양은 자기구역의 분포와 크기, 그리고 자기 모멘트들의 정렬 상태에 따라 달라집니다. 예를 들어, 자기구역의 크기가 작은 경우 자기 모멘트의 정렬이 더 안정적이어서 이력 곡선이 더 넓고 직사각형에 가까운 모양을 나타냅니다. 반면 자기구역의 크기가 큰 경우 자기 모멘트의 정렬이 불안정하여 이력 곡선이 더 좁고 타원형에 가까운 모양을 나타냅니다. 따라서 이력 곡선의 특성을 분석하면 강자성 물질의 자기적 성질을 이해할 수 있습니다.

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