자성이란 무엇인가...전자운동에 의한 자기발생

알루미늄의 특징 중 하나는 자기를 띠지 않는다는 점입니다. 이 특성을 살려 파라볼라 안테나와 배의 자기나침반 등 계측기기 및 전자의료기기, 메카트로닉스 기기 등에 사용되고 있습니다. 철 등과 같이 자기를 띠는 금속과 무엇이 다를까?

전자운동에 의한 자기발생의 원리

전자(전하)가 원자 속을 돌아다니는 것으로 인해 자기장이 만들어집니다. 도선에 전류를 흘리면 도선에 수직인 평면 내에서 도선을 중심으로 하는 동심의 자기장이 생기는 현상과 같은 작용입니다.

원자에서의 전하의 이동은 3가지 종류가 있습니다.

• 전자의 핵을 중심으로 한 공전
• 전자 자신의 자전(스핀)
• 원자핵 자신의 자전

원자핵 자신의 자전운동에 의한 자기는 매우 약하기 때문에 전자만 고려해도 좋습니다. 전자의 공전운동으로 원자핵을 중심으로 한 자기모멘트가 발생하고, 전자의 자전운동으로 전자의 위치에서 자기모멘트가 발생하고 있습니다. 원자핵의 주위에는 원자번호의 수만큼 전자가 여러 궤도로 공전하고 있습니다. 각각의 궤도에서 전자의 자전방향이 반대인 대전자가 도는 것으로 인해 자기장이 상쇄되면, 전체적으로는 자기장이 밖으로 나오지 않습니다. 따라서 원자가 대전자가 없는 전자를 가짐으로써 자기모멘트가 커지는 것입니다.

자성체와 자구

이처럼 모든 원자는 자기모멘트를 가지고 있으며,
자석에 달라붙는 것만이 자성체가 아닌 모든 물질이 자성체인데, 일반적으로는 강자성체를 자성체라고 부르고 있습니다.

• 강자성체 : 외부자기장이 작용했을 때, 매우 강하게 외부자기장의 방향으로 자화되는 물질
• 반자성체 : 외부자기장과 반대방향으로 자화되어 자석에 반발하는 물질
• 상자성체 :약하게 자화되는 물질

강자성체는 자화되지 않았을 때는 그 내부에서 '자구'라는 자기모멘트를 갖춘 작은 구획으로 나누어져 있으며, 이 자구가 다양한 방향을 향하며 상쇄시켜 전체적으로는 자기를 띠지 않습니다. 여기에 강한 외부자기장이 작용하면 자구의 방향이 한 방향으로 정렬됨으로써 전체적으로도 자기를 띠는 것입니다. 철, 니켈, 코발트 등이 이에 해당합니다. 외부자기장을 제거해도 남아있는 자기를 잔류라고 부르며, 이것이 큰 것을 경질자성 재료, 작은 것을 연질자성 재료라고 합니다. 영구자석은 경질 자성 재료입니다. 또한 자기의 방향이 모두 갖추어진 경우를 페로자성, 일부가 갖추어지지 않는 경우를 준강자성이라고 합니다.

반자성체는 강한 자기장 안에 놓이면 물질의 표면에서 반대방향의 자기장을 발생하는 물질입니다. 이 반발력은 자석의 같은 극을 가까이했을 때와는 달리 어느 극을 가까이해도 거기에 반발하는 것입니다. 헬륨, 금, 은, 구리 등이 이에 해당합니다.

상자성체는 외부자기장이 없을 때는 자성을 가지지 않는 물질입니다. 강자성체도 온도가 일정 이상이 되면 '상자성'을 나타내는데, 이 온도를 퀴리점 또는 퀴리온도라고 합니다.

금속 이외에서는 산소와 일산화탄소, 유리 등이 상자성체입니다. 철은 강자성체이고 알루미늄은 상자성체입니다. 철 등은 부대전자를 가지는 d궤도가 있고 알루미늄 등은 대전자가 자기모멘트를 상쇄하고 있으므로, 이에 따라 발생하는 자기모멘트는 철의 수만 분의 일 이하가 되어 거의 자석에 붙지 않는 것입니다.

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자기장은 전기장과 밀접한 관계가 있어 실제로는 매우 복잡한 것이지만, 여기서는 간이적으로 다루고 있습니다.

 
출처 참조 번역
· Wikipedia
· 磁性について
http://alfaframe.com/mame/10344.html