전자기학 [20] 정자기장 - 자성체의 성질

앞의 글에서 외부 자기장 세기 $(\mathbf{H})$에 따라 얼마나 자화$(\mathbf{M})$하는지를 결정하는 비례 상수 자화율 $\chi_m$에 대해 설명했었다. 이 자화율에 따라 물질을 여러가지 자성체로 구분지을 수 있는데, 일반적으로 크게 반자성체(diamagnetic), 상자성체(paramagnetic), 강자성체(ferromagnetic)으로 나뉘어진다. 이 세 가지의 자성체로 구분하는 기준은 아래와 같다.

 

• 반자성체 - $\chi_m \lesssim 0$
• 상자성체 - $\chi_m \gtrsim 0$
• 강자성체 - $\chi_m \gg 0$

 

반자성체

 

반자성체의 경우, 외부 자기장이 없을 때 물질 내의 순 자기 모멘트(net magnetic moment)는 0이다. 이 때 외부 자기장이 가해져서 물질 내부 원자들에 영향을 준다면 렌츠의 법칙에 의해 외부 자기장에 반대 방향을 향하는 순 자기 모멘트가 만들어진다. 외부 자기장과 반대 방향으로 자화가 일어나므로 음의 자화율을 보여주며, 자기장에 대해 반발력을 만들어낸다. 그리고 외부 자기장이 사라지면 물질 내에 유도된 자기모멘트는 사라지게 된다. 

이 효과의 크기는 보통 매우 작아서, 일반적으로 잘 알려진 반자성체인 구리, 납, 수은, 은, 금 등의 자화율은 $(-10^-5)$정도이다. 반자성은 모든 물질에 존재하는 특성이지만, 그 효과가 매우 작아 중요성이 떨어진다. 실제로 뒤에 언급할 상자성체나 강자성체의 경우도 반자성 성질이 있지만, 상자성이나 강자성 효과가 더욱 크기 때문에 상자성이나 강자성 성질을 띄는 것이다.

 

상자성체

 

상자성은 외부에서 가해지는 자기장에 대해 물질 내부의 자기 모멘트가 같은 방향으로 정렬하려는 성질 때문에 발생한다. 외부 자기장과 일치하는 방향으로 내부의 자기모멘트가 정렬하므로, 양의 자화율을 갖는 것이 특징이다. 하지만 상자성 역시 크기가 아주 작아 보통 $(10^{-5})$정도의 자화율을 갖는다. 대표적인 상자성체로 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 등이 있다. 

외부 자기장과 정렬하려는 힘은 높은 온도로 인한 열적 진동으로 인해 방해받을 수 있다. 따라서 온도와 관계가 없는 반자성과는 다르게 상자성은 온도에 의존적인 모습을 보인다. 낮은 온도에서 상자성 효과가 더 강하게 나타나는 경향이 있는 것이다!

 

강자성체

 

강자성은 위의 두 가지와는 다르게, 외부에서 가해주는 자기장이 없어도 물질 자체로 자기 모멘트를 유지하는 물질이다. 강자성체의 자화율은 상자성의 자화율보다 훨씬 커 가장 중요한 성질이라고 할 수 있다. 강자성체의 대표적인 예로는 코발트, 니켈, 철 등이 있다.

강자성체의 자화를 설명할 때 보통 물질을 이루고 있는 작은 자구(자화된 구획 : magnetized domain)의 개념을 사용한다. 각 자구는 자기 쌍극자들을 갖고있어 완전히 자화되어있다고 볼 수 있다. 그런데 외부 자기장이 인가되지 않았을 때에는 각 자구의 자기 모멘트 방향이 무작위하므로, 전체 순 자기 모멘트의 값은 0이 된다. 그런데 외부 자기장이 인가된다면, 외부 자기장과 같은 방향으로 자화하며 그 자기 모멘트의 값이 크기 때문에 외부 자석과의 인력이 발생하는 것이다. 

 

자기이력

 

강자성체에서 또 특이한 성질이 있는데, 바로 자기이력(hysteresis)라고 하는 것이다. 만약 강자성체에 외부에서 강한 자기장이 인가된다면, 내부 자구의 자기 모멘트가 강하게 정렬하여 외부 자기장의 흔적이 남는 것이다! 다시 말해, 외부 자기장이 제거되어도 강자성체 스스로 외부 자기장과 같은 방향으로 자기 모멘트가 정렬한 상태를 유지한다는 것이다. 철 막대에 아주 강한 자석을 오랫동안 붙여둔다면, 막대에 붙은 자석을 제거하더라도 그 철이 자석처럼 행동할 수 있다는 것이다! 직접 해봐도 좋은 경험이 될 것이다. 

 

퀴리 온도

 

만약 강자성체의 온도가 높아진다면 원자의 열 진동이 자기 쌍극자의 정렬에 영향을 주게 될 수 있다. 강자성체의 온도가 특정 온도 이상이 된다면, 자구의 자기 모멘트 방향이 무작위하게 바뀌게 되고, 강자성체의 성질을 잃어버려 상자성체처럼 행동하게 된다. 우리는 이 온도를 퀴리 온도(curie temperature)라고 부르며, 대부분의 강자성체의 퀴리 온도는 수백$^\circ C$에서 천$^\circ C$ 사이의 값을 가진다.