자성 물질의 유형

자성물질의 유형

 

원자 안의 모든 전자는 벡터적으로 더해진 궤도 자기 쌍극자모멘트와 스핀 자기 쌍극자모멘트를 가지고 있다. 두 벡터량의 합은 원자 내 다른 모든 전자의 자기 쌍극자모멘트와 벡터적으로 결합하고, 각 원자의 자기 쌍극자모멘트는 다시 물질 시료 안에 들어 있는 모든 다른 원자들의 자기 쌍극자모멘트와 벡터적으로 결합한다. 모든 자기 쌍극자모멘트가 결합하여 자기장을 만들면 물질은 자성을 띠게 된다. 일반적으로 자성에는 반자성, 상자성, 강자성 등 세 가지 유형이 있다.

반자성

 

 모든 물질이 공통적으로 보여주는 특성인데, 너무 약하기 때문에 물질이 다른 두 자성을 띠게 되면 가려져서 나타나지 않는다. 반자성 물질이 외부 자기장 안에 놓이면 약한 자기 쌍극자모멘트 물질의 원자에 만들어지며, 유도 자기 쌍극자모멘트가 모두 결합하여 물질에 전체적으로 약한 알짜 자기장을 만든다. 외부 자기장에 놓인 반자성체는 외부 자기장과는 반대되는 방향으로 자기 쌍극자모멘트를 가진다. 외부 자기장이 불균일할 경우 반자정체는 자기장이 센 쪽에서 약한 쪽으로 움직인다. 알짜 자기장은 외부 자기장이 없어지면 사라지게 된다.   

 

상자성

 

 상자성은 전이원소, 희토류 원소, 악티늄계 원소 등을 포함하는 물질에서 나타난다. 상자성 물질의 모든 원자는 영구 자기 쌍극자모멘트를 가지고 있지만, 물질 내에서 모멘트들의 방향이 막방향이기 때문에 물질 전체적으로는 알짜 자기장을 가지지 않는다. 하지만 외부 자기장이 있으면 부분적으로 자기 쌍극자모멘트가 정렬해서 물질 자체에 알짜 자기장이 생긴다. 물질에 존재하는 모든 원자의 자기쌍극자가 정렬하면 포화하였다고 한다. 만약 외부 자기장이 불균일하면 상자성체는 외부 자기장이 큰 영역으로 끌려가며 이를 상자성이라고 한다. 반자성체와 마찬가지로 외부 자기장이 없어지면 알짜 자기장을 사라지게 된다. 주어진 상자성체가 어느 정도까지 자기화되는지는 자기 쌍극자모멘트와 부피의 비로 나타낼 수 있고, 이 벡터량은 단위 부피당 자기 쌍극자모멘트로서 자기화라고 한다. 원자의 자기 쌍극자모멘트 정렬은 외부 자기장이 증가할수록 커지고, 온도가 증가할수록 감소한다. 외부 자기장이 증가할 경우 원자의 자기 쌍극자모멘트가 정렬하는 경향이 있어서 자기화는 증가할 것이고 온도가 증가할 경우 Scattering에 의해 정렬을 방해해 자기화를 감소시킨다. 이는 1895년에 Pierre Curie에 의해 실험적으로 발견되었다. 하지만 이는 외부 자기장과 온도의 비가 크지 않을 경우에 성립하며, 실제로 자기화 값은 포화되고 이를 자기화곡선이라고 한다.

 

강자성

 

 강자성은 철, 니켈, 합금 등의 특성이다. 이 물질들에 들어있는 전자 중의 일부는 자기 쌍극자모멘트가 정렬되어 있는데, 일부 영역에서 강한 자기 쌍극자모멘트를 가진다. 외부 자기장이 없는데도 쌍극자모멘트를 정렬시키는 것은 강자성체(또는 자성물질)는 교환결합이라고 불리는 양자물리학적인 상호작용에 의한 것이다. 외부 자기장은 이러한 영역의 자기 쌍극자모멘트를 자기장 방향으로 정렬시켜서 강한 자기장을 만들며 이때 만들어진 자기장의 일부는 외부 자기장이 없어져도 남아있다. 외부 자기장이 불균일하면 강자성체는 자기장이 큰 영역으로 끌려가며, 이러한 자기적 특성을 강자성이라고 한다. 물질의 요소가 Curie 온도라고 하는 임계 값을 넘어가며 교환결합은 사라져 상자성과 같은 특성을 가진다. 
 외부 자기장이 증가하다가 다시 감소하는 동안 강자성체의 자기화 곡선은 그대로 돌아가지 않는 성질을 가지는데 이렇게 곡선이 제자리로 되짚어가지 않는 특성을 이력이라고 하고 외부 자기장을 변화시키며 물질의 자기장을 측정한 곡선을 히스테리시스 곡선이라고 한다. 이러한 현상은 자기구역과 관련이 있는데, 외부 자기장에 의한 구역 경계의 움직임과 구역 방향의 재배치는 가역적이지 않기 때문이다. 외부 자기장이 발생했다가 다시 감소할 때 구역들은 완전히 원래 배치대로 돌아가지는 않지만 일부는 발생했을 때의 일부분을 기억하고 있다. 이러한 현상은 자연적으로 일어날 수 있는데, 번개가 땅을 통해서 바위 내의 강자성체를 자기화 시킬 수 있고 일부가 번개가 그친 후에도 자기화된 상태로 남게 된다. 후에 풍화작용이 일어나면서 이 바위의 조각들은 자철석이 된다.