물질의 자성(상자성체, 반자성체, 강자성체)

2021.09.07 - [2021 물리학1] - 전류에 의한 자기 작용

전류에 의한 자기 작용

학습 목표

자성체의 종류를 알고 자성체가 활용되는 예를 찾을 수 있다.

핵심 키워드 조직도

그림 클릭해서 보세요

※학습 목표 및 핵심 키워드 조직도 분석

지구는 태양의 중력에 의해 태양을 중심으로 원운동을 한다. 이에 착안하여 러더퍼드는 전자가 원자핵과의 전기력으로 인해 원자핵 주위를 원운동 한다고 가정하였다. 이때 보어는 원운동을 해도 에너지를 잃지 않는 정상 궤도를 가정하였고, 이에 기반한 고체 에너지 띠 이론은 물질을 전기적 성질에 따라 도체, 부도체, 반도체로 나누었다. 그렇다면 물질이 전기적 성질이 아닌 자기적 성질에 따라 분류되는 이유는 무엇일까? 그 이유를 알기 위해선 역시 물질을 이루는 원자를 자세히 꿰뚫어 볼 줄 알아야 한다.

 

과학자들은 전류가 자기장을 만든다는 사실을 알게 됐다. 전류란 전하의 움직임에 기인한다. 원자핵 주위의 전자 움직임, 즉 원자 내부에는 전류가 존재하기 마련이다. 이 사실을 통해 과학자들은 자석과 지구를 비롯한 여러 가지 물질의 자기적 성질을 설명할 수 있게 됐다.

1. 물질이 자성을 띠는 원인

물질이 가지는 자기적 성질을 줄여서 '자성'이라 한다. 

물질을 이루는 원자 속 전자는 두 가지 운동을 한다. 하나는 원자핵 주위를 공전하는 운동(궤도 운동)이고 하나는 전자가 마치 스스로의 축을 중심으로 자전하는 것과 같은 운동(스핀)이다. 전자가 움직인다는 건 원자 내에 전류가 흐른다는 걸 의미한다. 따라서 전자가 원자핵 주위를 돌면 왼쪽 그림과 같은 자기장이 발생한다. 전류가 흐르는 방향은 전자의 이동 방향(궤도 운동 방향)과 반대임을 꼭 확인하라. 그리고 전자 스핀에 의해 전자 주위에도 자기장이 생긴다. 대부분의 물질에서는 전자스핀이 전자의 궤도 운동보다 더 센 자기장을 형성한다. 이처럼 원자 내의 전자 운동이 물질이 띠는 자성의 근본적인 원인이다.

 

실제 물질을 구성하는 엄청난 수의 원자, 3차원으로 분석해야 할 운동 방향 가짓수까지 고려하면 각각의 자기장 방향은 천차만별이다. 이처럼 랜덤한 방향의 자기장 각각이 상호작용하는 결과에 따라 상자성체, 반자성체, 강자성체, 초전도체가 갖는 자기적 성질이 결정된다.

2. 상자성체

원자가 작은 자석처럼 자기장을 띠지만 평상시에 원자 자석들이 무질서하게 배열되어있어 결과적으로 서로의 자기장이 상쇄되어 평상시에 자기장을 띠지 않는 자성체를 상자성체라 한다. 주로 종이, 백금, 알루미늄, 마그네슘 등이 상자성체이고 이 상자성체에 외부 자기장을 걸어주면 그림에서 보다시피 원자 자석들이 외부 자기장의 방향으로 약하게 정렬된다. 따라서 자석에 약하게 끌려온다.

 

이처럼 자기장을 띠지 않는 물체에 외부 자기장을 걸어주면 원자 자석의 자기장 방향이 일괄적으로 배열되어 물체가 자기장을 띠게 되는데 이를 '자화'라고 한다.

 

외부 자기장을 제거하면 상자성체의 원자 자석들이 다시 랜덤하게 움직이기 때문에 상자성체는 자성을 잃어버리게 된다.

3. 반자성체

반자성체는 외부 자기장 속에 놓였을 때 외부 자기장의 반대 방향으로 약하게 자화되는 물질로써 금이나 구리, 플라스틱, 유리, 물등이 있다.

 

반자성의 원리 (TMI)

반자성체는 흔히 상자성체와 대조를 이루며 설명되곤 하나, 실제 반자성의 원리는 상자성체의 것과는 판이하게 다르다. 반자성은 전자껍질이 가득 차 있는 안정적인 원소를 함유하는 물질에서 나타나는 양자역학적 현상이다. 전자 껍질에 전자가 모두 채워져 있는 경우, 전체 알짜 스핀이 0이 되므로, 스핀에 의한 자기장을 고려하지 않아도 된다. 이 경우 외부 자기장이 전자의 궤도 성분의 에너지를 상승시키게 되고, 이 에너지 상승분이 양자역학적 현상을 야기하기 때문에 반자성 현상이 생기게 된다.

 

이외에도 특정 온도 이하에서 반자성 효과를 가지는 물체가 있는데 초전도체가 그런 경우다.

(좌)특정 온도 이하에서 전기저항이 0이 되면서 반자성 효과를 가지는 초전도체 (우)자기부상열차의 원리

초전도체에 외부 자기장을 가하면 외부 자기장과 같은 세기의 자기장이 초전도체 내부에 반대 방향으로 발생하여 초전도체 내부의 자기장이 0이 되는데 이 현상을 '마이스너 효과'라 한다.

 

↓초전도체의 반자성 효과 실험↓

youtu.be/JRJWcSdegkA

 

영상 14℃에서 초전도 현상이 발생하는 신소재 개발

2020년 10월에 상온에 가까운 온도에서도 초전도 현상이 가능한 신소재를 개발했다는 소식이 알려졌다. 아직 완벽한 상용화에는 한계가 있지만 언젠가는 그 한계가 깨질 것으로 기대된다.

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누구나 한 번쯤은 이런 생각을 해봤을 거다. 자석은 왜 생기는 걸까? 자철석 부류의 광물을 제련해서 자석을 만든다고는 하는데, 그렇다면 어떤 이유로 태초에 자성을 띠는 자철석이라는 광물이 생기게 되었을까?

지구 자전축은 23.5도인데 이 기울기가 21도에서 24도 범위에서 약 몇 만년 주기로 변한다고 한다. 지구 자전축의 기울기가 바뀐다면 그에 따라 지구 자기장 방향도 살짝 바뀌기 마련인데, 중세 시대에 그려진 벽화를 통해 우리는 지금의 지구 자기장 방향이 중세 시대의 자기장 방향과 다르다는 사실을 확인할 수 있다.

태초에 자철석이 지구 상에 존재할 수 있었던 이유와 벽화를 통해 지구 자기장의 방향을 추적할 수 있는 방법은 강자성체의 개념과 '자화'라는 현상을 알아야만 이해할 수 있다.

4. 강자성체

강자성체의 경우에는 인접한 원자 자석의 자기장 방향이 같은 방향으로 정렬되는 구역이 여러 군데 생긴다. 이러한 구역을 '자기 구역'이라고 하는데 이 '자기 구역'에서는 각각의 원자 자석의 자기장 방향이 같다. 철, 니켈, 코발트 등이 이러한 특성을 지닌다.

외부 자기장이 없을 때는 각 자기 구역마다 나타내는 자기장의 방향이 제멋대로라서 전체적으로 자성을 띠지 않지만, 외부 자기장을 가해주면 각 자기 구역의 자기장이 외부 자기장과 같은 방향으로 자화된다. 여기까지는 상자성체와 별반 다를 바가 없다. 하지만 강자성체는 외부 자기장을 제거해줘도 대부분 자기 구역의 자기장 방향이 원래대로 되돌아가지 않기 때문에 자화가 유지되어 자성을 띠게 된다.

강자성 암석에 번개가 내리꽂으면 번개의 강한 전기장에 의해서 전류가 흐르고, 그 전류에 의한 자기장에 의해 자화되는데 이 암석이 바로 자철석과 적철석이다. 따라서 자철석과 적철석은 외부 자기장의 유무와 관계없이 계속 자성을 띨 수 있다. 

산화된 철은 붉기 때문에 화가들은 자철석과 적철석처럼 철이 함유된 광물을 갈아서 붉은 염료를 만들었다. 즉 염료 자체가 강자성체인셈이다. 과거에 그려진 벽화의 붉은 염료는 주로 철로 이루어져 있었고, 이 철들은 그때 당시의 지구 자기장 방향으로 자화가 되었다. 그리고 그 상태로 물감이 굳어버렸기 때문에 그림이 그려졌을 당시의 지구 자기장 방향을 대략 가늠할 수 있다. 그림에서 확인할 수 있듯이 18세기와 지금의 지구 자기장 방향은 약 1도 가량 다르다.

 

①전자석

왼쪽과 오른쪽의 자기력선 수를 비교해보라.

이러한 강자성체의 자화를 이용하여 솔레노이드 내부 자기장 세기를 증폭시킨다. 외부 자기장과 같은 방향으로 자기 구역들이 강하게 자화 되기 때문이다. 같은 세기의 전류를 흘려주더라도 솔레노이드 내부에 철심이 있으면 없을 때보다 자기장이 1000배 이상 세진다. 1000배 정도면 어마어마한 차이다. 따라서 여러분들이 전자석을 만든답시고 솔레노이드에 전류만 흘려주기만 하고, 철심을 집어넣지 않으면 클립조차도 붙지 않는다는 걸 확인할 수 있다. 

 

전자석은 솔레노이드에 흐르는 전류를 조절하여 자기장의 세기와 방향을 매우 쉽게 조절할 수 있고, 이러한 전자석은 강한 자기장을 기반으로 MRI 촬영장치나 전자석 기중기 등에 활용된다.

 

②퀴리 온도

이러한 강자성체도 항상 자신의 성질을 유지하는 것은 아니다. 특정 온도 이상으로 올라가면 강자성체의 자기 구역이 해체되어 상자성체가 되어버리는데, 이 온도를 퀴리 온도라고 한다. 라듐을 발견한 마리 퀴리의 남편 피에르 퀴리의 이름을 따서 붙여지게 된 이름인데 이 현상을 이용한 재미있는 물리 실험이 있다.

 

↓퀴리 엔진↓

youtu.be/IPf5qUfw9Wc

실험에 사용한 니크롬선은 니켈이 주성분이고, 니켈은 강자성체이다. 니켈의 퀴리 온도는 대략 350℃이다. 한쪽 선을 가열해주면 강자성을 잃게 되어 상대적으로 다른 선에 더 센 자기력이 작용하여 끌려오고, 그동안 달궈진 선이 식으면서 다시 강자성을 띠게 되며 자리바꿈하는 결과를 실험을 통해 확인할 수 있다.

 

③하드디스크

하드디스크

컴퓨터의 하드디스크에는 정보를 기록하는 부분(플래터)이 있다. 플래터는 강자성체를 씌워 만드는데, 외부 자기장이 제거돼도 자화가 유지되는 강자성체의 성질을 이용하여 기록된 정보를 유지한다. 플래터에 정보를 기록할 때는 헤드에 있는 전자석으로 강자성체의 자화 방향을 재배열한다. 

5. 기출문제 풀어보기

13년도 3월 학평 물리1 4번/ 정답률 59%

답: 1번

 

13년도 7월 학평 물리1 8번/ 정답률 67%

답: 2번

 

15년도 6월 모평 물리1 5번/ 정답률 74%

답: 1번