[2015개정 물리학1] 물질의 자성 1편

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[2015개정 물리학1] 전류가 만드는 자기장

전류가 흐르는 도선의 모양이 어떻든 그 주변에는 자기장이 생긴다는 것을 도선 주위에 철가루를 뿌리면 눈으로 쉽게 확인할 수 있다.

전류가 자기장을 만든다는 사실을 통해 우리는 다음과 같은 가정을 추론할 수 있다.

자석과 지구를 비롯한 여러 가지 물질이 가지는 자기적 성질이 전류와 관련있지 않을까? 

1. 물질이 자성을 띠는 원인

물질이 가지는 자기적 성질을 줄여서 '자성'이라 한다. 자성의 원인은 무엇일까? 왜 자석과 지구에는 자기장이 생기는 걸까?

물질을 이루는 원자 속 전자는 두 가지 운동을 한다. 원자핵 주위를 공전하는 운동(궤도 운동)과 전자가 스스로의 축을 중심으로 자전하는 운동(스핀)이다. 원자 내의 전자가 운동한다는 것은 뭘 의미하는가? 이는 곧 원자 내에 전류가 흐른다는 걸 의미한다. 전자가 원자핵 주위를 돌면 원형 전류가 흐르는 것과 같으므로, 원자 주변에 자기장이 발생한다. 전류가 흐르는 방향은 전자의 이동 방향(궤도 운동 방향)과 반대임을 꼭 확인하라. 그리고 전자 스핀에 의해서도 자기장이 생긴다. 대부분의 물질에서는 전자 스핀이 전자의 궤도 운동보다 더 센 자기장을 형성한다. 이처럼 원자 내의 전자 운동이 물질이 띠는 자성의 근본적인 원인이다.

 

이때 물질을 구성하는 수많은 원자와 이온의 운동 방향은 3차원적으로 봤을 때 어마어마하게 다양할 것이고 그에 따라 각각의 자기장 방향이 천차만별임을 추측할 수 있을 것이다. 이처럼 랜덤한 방향의 자기장 각각이 상호작용하는 결과에 따라 자성체의 특징이 결정된다.

2. 자성체의 종류

①상자성체

원자 내의 전자 운동에 의해 원자가 자기장을 띠게 된다. 이를 원자 자석이라 하자. 평상시에 원자 자석들이 무질서하게 배열되어있어 결과적으로 서로의 자기장이 상쇄되어 자기장을 띠지 않는 물체를 '상자성체'라 한다. 종이, 백금, 알루미늄, 마그네슘 등이 상자성체이고 이 상자성체에 외부 자기장을 걸어주면 원자 자석들이 외부 자기장의 방향으로 약하게 정렬된다. 따라서 자석에 약하게 끌려온다. 이처럼 물체에 외부 자기장을 걸어주어 원자 자석이 띠는 자기장의 방향을 일괄적으로 배열시켜 물체가 자성을 띠게 되는 현상을 '자화'라고 한다. 외부 자기장을 제거하면 상자성체의 원자 자석들이 다시 랜덤하게 움직이기 때문에 상자성체는 자성을 잃어버리게 된다.

 

②반자성체

반자성체는 외부 자기장 속에 놓였을 때 외부 자기장의 반대 방향으로 약하게 자화되는 물질로써 금이나 구리, 플라스틱, 유리, 물등이 있다. 이외에도 특정 온도 이하에서 반자성 효과를 가지는 물체가 있는데 초전도체가 그런 경우다.

 

반자성의 원리

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 자기정을 고려하지 않아도 된다. 이 경우 외부 자기장이 전자의 궤도 성분의 에너지를 상승시키게 되고, 이 에너지 상승분이 양자역학적 현상을 야기하기 때문에 반자성 현상이 생기게 된다.

(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 0이되는데 이 현상을 '마이스너 효과'라 한다. 이 마이스너 효과를 이용하여 자기 부상 열차를 이용한다.

 

↓초전도체의 반자성 효과 실험↓

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