자성에 대해서(자석에 붙지 않는 금속)

알루미늄의 특징 중 하나는 자기를 띠지 않는다는 것으로 이 특성을 살려 파라볼라 안테나나 배의 자기 나침반 등의 계측기기나 전자 의료기기, 메카트로닉스 기기 등에 사용되고 있습니다. 철 등과 같이 자기를 띤 금속과 무엇이 다른지 살펴봅시다.

전자운동에 의한 자기발생의 구조를 살펴보면, 우선 전자(전하)가 원자 안을 돌아다니면 자기장을 만들어내고 있습니다. 도선에 전류를 흘리면 도선에 수직인 평면 내에서 도선을 중심으로 하는 동심원형의 자기장이 생기는 것과 같은 작용에 의한 것입니다.

원자 안에서의 전하의 이동은 3종류가 있습니다.

1. 전자의 핵을 중심으로 한 공전
2. 전자 자신의 자전(스핀)
3. 원자핵 자체의 자전

원자핵 자체의 자전운동에 의한 자기는 매우 약하기 때문에 전자만 생각해도 좋습니다.

전자의 공전운동에서는 원자핵을 중심으로 한 자기모멘트가 발생하고, 전자의 자전운동에서는 전자의 위치에서 자기모멘트가 발생하고 있습니다.

원자핵 주위에는 원자번호의 수만큼 전자가 여럿 궤도에서 공전하고 있습니다. 각각의 궤도에서 전자의 자전방향이 반대인 대전자가 돌면서 자기장을 상쇄하면 전체에서는 자계가 밖으로 나가지 않습니다. 전자에 의한 자기발생 모델이기 때문에 원자가 쌍이 아닌 홀전자를 가지면 자기모멘트가 커집니다.

자성체와 자구

이와 같이 모든 원자는 자기모멘트를 가지고 있으며 자석에 달라붙는 것만이 아닌 모든 물질이 자성체인데 일반적으로는 강자성체를 자성체로 부르고 있습니다.

▣ 강자성체
외부 자계가 작용했을 때, 매우 강하게 외부 자계의 방향으로 자화되는 것

▣ 반자성체
외부 자계와 반대방향으로 자화되어 자석에 반발하는 것

▣ 상자성체
약하게 자화되는 것

강자성체는 자화되어 있지 않을 때는, 그 내부에 '자구'라는 자기모멘트가 갖추어진 소구획으로 나누어져 있으며 이 자구가 다양한 방향을 향한 채 상쇄되어 전체로서 자기를 띠지 않는 것처럼 보입니다. 여기에 강한 외부 자계가 작용하면 자구의 방향이 한 방향으로 모이면서 전체적으로도 자기를 띠게 됩니다. 철, 니켈, 코발트 등이 이에 해당합니다. 외부 자계를 제거해도 남는 자기를 잔류자기라고 부르고, 이것이 큰 것을 경질 자성재료, 작은 것을 연질 자성재료라고 합니다. 영구자석은 경질 자성재료입니다. 또 자기의 방향이 모두 갖추어지는 경우를 페로 자성, 일부가 갖추어지지 않는 경우를 페리 자성이라고 부릅니다.

반자성체는 강한 자계에 놓이면 물질의 표면에서 반대방향의 자기장을 발생시키는 데, 이 반발력은 자석의 같은 극을 가까이했을 때와는 달리, 어느 극을 가까이해도 그것에 반발하는 것입니다. 헬륨, 금, 은, 구리 등이 이에 해당합니다.

상자성체는 외부 자계가 없을 때는 자성을 가지지 않는 성질입니다. 강자성체도 어느 온도 이상이 되면 상자성을 나타내게 되고, 이 온도를 퀴리점 혹은 퀴리온도라고 합니다. 금속 이외에서는 산소나 일산화탄소, 유리 등도 상자성체입니다. 철은 강자성체이고, 알루미늄은 상자성체입니다. 철 등에서는 홀전자를 가지는 궤도(d궤도)가 있고 알루미늄 등에서는 대전자만으로 자기모멘트를 상쇄하고 있으므로, 이것에 의해 발생하는 자기모멘트는 철의 수만 분의 1 이하가 되어 거의 자석에 붙지 않습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 磁性について
https://alfaframe.com/mame/10344.html#:~:text=%E9%89%84%E3%81%AF%E5%BC%B7%E7%A3%81%E6%80%A7%E4%BD%93,%E3%81%A8%E3%81%84%E3%81%86%E4%BA%8B%E3%81%AB%E3%81%AA%E3%82%8A%E3%81%BE%E3%81%99%E3%80%82