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자성체
자성체(magnetic substance)는 자기장에서 자화되는 물질이다. 물질은 그 자화에 따라 강(强)자성체 · 상(常)자성체 · 반(反)자성체로 구별된다.
강자성체는 자기장 속에서 강하게 자화하는 물질이고, 상자성체는 약하게 자화하는 물질이며, 반자성체는 자기장과 반대방향으로 약하게 자화하는 물질이다. 강자성체에는 질적인 특징이 있다. 강자성체는 자기장에 의해 자화되는 것이 아니라 본래 자화되어 있는 것이다(이것을 자발자화라고 한다). 얼른 보아 자화되지 않은 것처럼 보이는 것은 그것이 수많은 작은 자기구역(磁氣區域)으로 분할되어 있기 때문이다. 그 하나하나의 자화방향은 다르지만 자기장 속에 놓이면 그것들은 자기장과 같은 방향이 된다. 모든 자기구역의 자화방향이 평행으로 되어있는 상태를 포화(飽和)라 하며, 포화자화의 세기는 자발자화의 세기와 같다고 볼 수 있다. 이와 같은 자발자화는 온도를 올리면 작아지고, 퀴리온도에서는 0이 된다. 이 온도 이상에서는 물질은 자발자화가 없으며 상자성이 된다. 따라서 상자성체란 아무리 낮은 온도에서도 상자성인 것을 말한다. 강자성체에서는 자기의 원인이 되는 물질(원자 등)의 자기모멘트 방향이 일치되어 있으므로 자발자화를 가진다. 이에 대해 상자성체에서는 자기의 원인이 되는 물질의 자기모멘트의 방향이 각각이다. 반자성체에서는 자기의 원인이 되는 물질이 본래 자기모멘트를 갖고 있지 않다. 그러므로 강자성체의 자발자화는 원자의 자기모멘트의 질서의 발현으로 볼 수 있다. 그러나 질서라는 것은 원자의 자기모멘트 방향이 한 방향으로 전부 일치하고 있다는 것은 아니다. 그들이 서로 번갈아 반대방향을 향하고 있는 것도 하나의 질서이다. 이와 같은 물질은 여러 종류가 알려져 있는데, 자발자화를 갖지 않기 때문에 그들은 강자성체가 아니다. 그러나 질서를 갖고 있다는 점에서 보통의 상자성체와는 다르다. 이와 같은 물질을 반(反)강자성체라고 한다. 이것과 약간 다른 질서를 가진 물질이라도 자발자화를 갖지 않는 것은 모두 반강자성에 포함된다. 반강자성체의 질서도 어떤 온도(넬온도)이상에서는 소실되어 보통의 상자성이 된다. 반강자성체와 같은 질서를 갖고 있으나, 2종류 이상의 원자가 있어, 그 모멘트가 상쇄되지 않을 때는 자발자화를 갖게 된다. 이와 같은 것은 외견상으로는 강자성과 다르지 않으며, 실용상으로도 강자성체로 취급되는데, 특히 페리자성체라고 불린다. 페리자성체의 자발자화가 상실되는 온도도 강자성체와 마찬가지로 퀴리온도이다. 반강자성체의 질서와 비슷한 질서를 가지나 교호(交互)의 자기모멘트 방향이 정확하게 반대방향이 아니라 약간 기울어져, 약하지만 자발자화를 갖는 것이 있다. 이러한 물질을 약한 강자성체라고 한다. 그 대표적인 것이 적철석(-FeO)이다. 이와 같은 자기모멘트의 질서는 본래 전자스핀에 관계되는 교환상호작용에 의한 것이다.
자성체라는 용어는 좁은 뜻으로는 자기적 질서를 갖는 물질이라는 뜻으로 쓰인다.
상세
자기를 띠는 물질을 자성체라고 한다. 자기란 자기장을 발생시켜서 쇠조각을 끌어당기는 자기력을 작용하는 성질 또는 현상이다. 자성체 물질이 자기를 띠는 원인은 물질을 이루고 있는 기본 구성 입자들의 자기모멘트들이 한 방향으로 정렬하고 있기 때문이다.
물질을 이루고 있는 전자를 포함한 구성 입자들은 자기모멘트라고 불리는 성질을 갖는데, 이 자기모멘트는 마치 아주 작은 막대자석과 유사하게 자기장에 반응하여 정렬함으로써 물질의 자성을 결정한다. 그림 1의 오른쪽 그림처럼 물질 내의 자기모멘트들이 한 방향으로 정렬하면 거시적으로 주위에 자기력을 작용하는 자성체가 되는 것이다. 그러므로 매우 강한 외부 자기장 안에 물질을 놓으면 거의 모든 물질은 자기화한다.
외부 자기장 안에서 자기화하는 방식에 따라서 물질을 상자성(paramagnetic)과 반자성(diamagnetic)으로 구분한다. 상자성 물질이란 외부 자기장과 나란한 방향으로 자기화하는 물질을, 반자성 물질이란 외부 자기장과 반대 방향으로 자기화하는 물질을 일컫는다. 이들 물질은 외부 자기장을 제거하면 한 방향으로 정렬했던 자기모멘트들이 다시 각기 서로 다른 방향을 향하도록 초기화되어 거시적으로 자기를 잃고 비자성 물질로 돌아간다. 대표적인 상자성 물질로는 나트륨 등 알칼리 금속과 알루미늄, 백금 등의 금속, 그리고 공기 등이 있다. 반면 구리와 비스무스 등은 반자성 물질이다.
주위에서 흔히 볼 수 있는 자석은 외부 자기장이 없어도 자성을 띠는 영구자석이며 이들은 강자성(ferromagnetic)이라 불리는 성질을 갖는 물질로 만들어진다. 강자성 물질은 천연 상태에서는 자기화하지 않은 상태, 즉 물질 내부의 자기모멘트들이 서로 다른 제멋대로의 방향을 향하고 있는 상태로 얻어지는 것이 대부분이다. 여기에 외부에서 강한 자기장을 걸어주면 강자성 물질 내의 자기모멘트들이 자기장 방향으로 정렬하여 자기화된다. 이렇게 자기화한 강자성 물질은 외부 자기장을 제거하여도 상자성 또는 반자성 물질과는 달리 자기모멘트들의 정렬이 초기화되지 않고 유지되어 영구자석이라 불리는 자성체 즉 주위에서 흔히 볼 수 있는 자석이 된다.
대표적인 강자성 물질로는 철, 코발트, 니켈 등의 전이 금속과 네오디움, 가돌리늄 등의 희토류 물질이 있다. 자기화한 강자성 물질의 자성을 제거하기 위해서 퀴리온도(Curie temperature)라고 불리는 특정 온도 이상으로 온도를 높여주면, 한 방향으로 정렬되어 있던 자기모멘트들의 정렬이 깨지면서 알짜 자기모멘트가 0이 되어 비자성 물질이 된다. 퀴리온도는 물질의 고유한 특성으로 철의 경우 1,043 K, 코발트 1,398 K, 니켈 627 K 등이다.
물질의 자기적 성질을 나타내는 물질 고유의 특성으로서 외부 자기장에 반응하여 물질이 자기화되는 정도를 나타내는 물리량 투자율(magnetic permeability) μ 와 자기감수율(magnetic susceptibility) Xm을 정의하여 사용한다.
투자율 μ는 외부에서 물질에 가해지는 외부 자기장 H와 물질에 생성된 자기선속밀도 또는 자기유도 B로부터
B = μH
로 정의된다. 즉 같은 크기의 외부 자기장이 가해졌을 때 μ가 클수록 물질에 큰 자기선속밀도가 생성된다. 자기장 H의 단위는 A/m이고, 자기선속밀도 또는 자기유도 B의 단위는 에서 알 수 있듯이 N/(A·m)이므로 μ의 단위는 N/A²인데, 이는 헨리 매 미터와 같으며 H/m로 표시한다.
진공의 투자율은 μ₀ = 4 π × 10⁻⁷ H/m이다. 물질의 투자율의 진공 투자율에 대한 상대적 비율인 상대투자율 μr은 μr = μ/μ₀가 된다. 투자율은 물질마다 크기가 다른데, 외부 자기장의 반대 방향으로 자기화되는 반자성 물질은 상대투자율이 1보다 작고, 외부 자기장과 같은 방향으로 자기화되는 상자성 물질은 상대투자율이 1보다 크다는 것을 알 수 있다. 퀴리온도 이하에서 스스로 자석이 되는 강자성 물질에서는 상대투자율이 상자성이나 반자성 물질에 비해 10⁴~10⁴ 배 큰 경우도 있다.
또한 물질의 자기감수율 은 외부 자기장 H에 놓인 물질의 자기화가 M일 때
M = Xm H
으로 정의된다. 투자율과 자기감수율 사이의 관계는 B = μ₀(H + M}의 관계식으로부터 μ₀(1+Xm) = μ임을 알 수 있다. 상자성 물질과 반자성 물질은 각각 양의 자기감수율과 음의 자기감수율 값을 가지며, 강자성체 즉 영구자석의 경우에는 Xm이 무한대에 가까울 정도로 매우 큰 값을 가진다.
참고자료
- 〈자성체〉, 《물리학백과》
- 〈자성체(magnetic substance)〉, 《사이언스올》
같이 보기
