자성체

자석이란 자기장을 발생시킬 수 있는 물질이나 재료를 말합니다. 그것은 무형의 힘이 있으며 어떤 물질을 끌어당길 수도 있고 또 어떤 물질을 배척할 수도 있습니다. 일반적으로 영구자석과 연자체로 구분됩니다.
자석은 양극성, 자성 북극 N, 자성 남극 S를 가지고 있습니다. 절단 후에도 양극 N, S극입니다. 단일 자극은 존재할 수 없습니다. 동시에 자석은 지향성이 있습니다. 자석을 매달아 올리면남극은 지리적 남자극 좌우를, 북극은 지리적 북자극 좌우를 가리키는 것을 발견할 수 있습니다.

 

자석

일반적으로 철, 코발트, 니켈과 같은 물질을 끌어당길 수 있는 물체로 정의됩니다.
자석은 일반적으로 영구자석과 연자체로 구분됩니다.

영구자석

즉, 오랫동안 그 자성을 유지할 수 있는 자석입니다. 영구자석은 경자석입니다. 자성을 잃거나 자화되기 어렵습니다.

연자체

유도자석과 전자석의 재료는 대부분입니다. 연자체의 극성은 가해진 자기장의 극성에 따라 달라집니다.

성질

자석은 양극성, 자성 북극 N, 자성 남극 S를 가지고 있습니다. 절단 후에도 양극 N, S극입니다.단일 자극은 존재할 수 없습니다. 동시에 자석은 지향성이 있습니다. 자석을 매달아 올리면남극은 지리적 남자극 좌우를, 북극은 북자극 좌우를 가리키는 것을 발견할 수 있습니다.

 

작용

자극간에는 상호작용이 있습니다. 동명의 자극은 서로 배척하고, 이명 자극은 서로 끌어당깁니다. 자석 주위에는 자침을 편향시키는 물질이 존재하는데, 이 물질을 물리학적으로 자기장이라고 합니다. 자기장의 분포는 일반적으로 사용됩니다. 자기감응선으로 표시합니다.

 

자기주설

마그네틱 도메인(Magnetic Domain) 이론은 양자 이론으로 철자질의 자화 메커니즘을 미시적으로 설명합니다. 자성 재료 내부의 작은 영역, 각 영역을 말합니다. 도메인 내부에는 대량의 원자가 포함되어 있습니다. 이 원자의 자기 모멘트는 모두 작은 자석처럼 가지런히 배열되어 있지만, 인접한 서로 다른 영역 사이에는 원자 자기 모멘트가 배열되는 방향이 다릅니다.

 

각 자주의 경계면을 자주의 벽이라고 합니다. 거시적인 물체는 일반적으로 항상 많은 자기 모멘트를 가지고 있습니다. 이렇게 하면 자기 모멘트의 방향이 각각 다릅니다. 결과는 서로 상쇄되고, 벡터와 0이 됩니다. 전체 물체의 자기 모멘트는제로가 되면 다른 자성 재료도 끌어당길 수 없습니다. 자성 재료가 정상적인 상황에서는 자성을 보이지 않는다는 뜻입니다. 자성 재료가 자화된 후에야 비로소 대외적으로 자성을 나타낼 수 있습니다. 

인접한 전자 사이에는 매우 강한 "교환 결합" 작용이 존재하는데, 그들의 스핀 자기 모멘트는 외부 자기장이 없는 상태에서 하나하나의 미소 영역 내에서 "자발적으로" 정렬될 수 있습니다. 그리고 자발자화의 작은 영역을 형성하는데 이것을 자기둥지라고 합니다. 비록 자화되지 않은 철자질에서, 비록 각 자주의 내부에 결정되는 자발 자화 방향이 있습니다. 매우 큰 자성을 가지고 있지만, 대량의 자주의 자화 방향이 각각 다르기 때문에 전체 철자질은 자성을 나타내지 않습니다.

철자질이 외부 자기장 속에 있을 때, 자발 자화 방향과 외부 자기장 방향이 작은 각도가 되는 자기장의 부피는 외가 자기장의 증대에 따라 확대되며, 또한 자기장의 자화 방향을 외부 자기장 쪽으로 더 돌리게 합니다. 또 다른 자발자화 방향과 외부자기장 방향이 큰 각도를 이루는 자주의 부피는 점점 작아집니다. 이때 철자질은 대외적으로 거시자성을 띤다. 외부 자기장이 커지면, 상술한 효과는 상응하여 커집니다. 모든 자기장이 외부 자기장을 따라 배열될 때까지 포화됩니다.

퀴리 온도 이하에서는 철자성 또는 아철자성 재료 내부에 각각 자발 자기 모멘트를 가지며 자기 모멘트가 쌍을 이루는 소역이 많이 존재합니다. 만약 자기장을 넣지 않고 자화한다면, 그들이 배열한 방향이 문란합니다. 이 자기 모멘트는 0입니다. 이런 작은 영역을 바로 자기 주라고 합니다. 자주의 경계면을 자주의 벽(magnetic domain wall)이라고 합니다.외부 자기장 작용이 있을 때, 자기장 내의 일부 자기 모멘트는 외부 자기장 방향으로 이동하여, 외부 자기장 방향과 거의 일치하는 총 자기 모멘트를 증가시킵니다. 이런 종류의 자주는 성장하고 다른 자주는 작아져서 결과적으로 자화강도가 높아집니다.

외자장의 강도가 더욱 높아짐에 따라 자화강도는 커졌지만, 비록 자기장 내의 자기 모멘트의 취향이 일치하여 단일 자기장 영역이 되었다 하더라도, 그 자화방향과 외자장 방향이 완전히 일치하는 것은 아닙니다. 외부 자기장의 강도가 어느 정도 높아져야만 모든 자기장에서 자기 모멘트의 자화 방향이 외부 자기장 방향 방향과 완전히 일치합니다. 이때 철자석은 자기포화상태가 됩니다. 즉 포화자화가 됩니다. 일단 포화자화가 되면, 자기장이 0으로 감소하더라도, 자기 모멘트는 0으로 돌아가지 않고 남게 됩니다. 이러한 잔류 자화 값을 잔존 자기 유도 강도(기호 Br로 표시)라고 합니다. 포화자화 값을 포화자 유도강도(Bs)라고 합니다. 반대 자기장을 넣으면, 이라고 합니다. 남은 자기유도강도가 0으로 돌아오면 이때의 자기장 세기를 교정이라고 합니다. 완자계 강도 또는 완고력( Hc)입니다.

전류 가설

암페어는 자석을 구성하는 분자 내부에 일종의 고리형 전류인 분자전류가 존재한다고 생각했습니다. 분자 전류가 존재하기 때문에,각 분자는 작은 자석이 되며 양쪽은 두 개의 극에 해당됩니다. 일반적으로 자석 분자의 분자 전류 방향은 난잡하고 무질서합니다. 그것들이 만들어내는 자기장은 서로 상쇄됩니다. 대외적으로는 자성을 나타내지 않습니다.외부 자기장 작용 후, 분자 전류의 방향은 대체로 동일합니다. 분자 간에 인접한 전류 작용은 상쇄되고 표면 부분은 상쇄되지 않습니다. 이들의 효과는 거시적 자성을 나타냅니다.

암페어의 분자 전류 가설은 당시 물질 구조에 대한 지식이 매우 적은 상황에서 증명할 수 없습니다. 그것은 상당한 억측 성분을 가지고 있습니다. 오늘날 이미 물질은 분자로 이루어져 있고 분자는 원자로 이루어져 있다는 것을 알게 되었습니다. 원자에 핵 주위를 도는 전자가 있습니다. 암페어의 분자 전류 가설은 사실적인 내용이 있습니다. 이미 물질의 자성을 인식하는 중요한 근거가 되었습니다.

물질 자성

항자성
고체는 자화 강도 M이 음일 때 항자성으로 나타납니다. Bi, Cu, Ag, Au 등의 금속은 이런 성질을 가지고 있습니다. 외부 자기장에서, 이렇게 자화된 매질 내부의 자기 유도 강도가 진공보다 작아야 합니다. 자기유도강도 M입니다. 항자성 물질의 원자(이온)의 자기 모멘트는 0이어야 합니다. 즉 영구 자기 모멘트는 존재하지 않습니다. 항자성 물질을 외부 자기장에 넣으면, 외부 자기장이 전자 궤도를 변화시켜 외부 자기장과 반대 방향의 자기 모멘트를 생성하여 항자성으로 나타냅니다. 그래서 항자성은 원자에서 유래된 전기입니다. 부궤도 상태의 변화입니다.항자성 물질의 항자성은 일반적으로 매우 미약합니다. 자화율 H는 일반적으로 -10-5 정도로 음의 값입니다.

순자성

순자성 물질의 주요 특징은 부가 자기장의 존재 여부와 관계없이 원자 내부에 영구 자기 모멘트가 존재한다는 것입니다. 그러나 자기장을 넣지 않을 때는 순자성 물질의 원자가 무규칙한 열진동을 하기 때문에 거시적으로 볼 때 자성이 없습니다. 자기장 작용에 의해 각각의 원자 자기 모멘트는 비교적 규칙적으로 취향을 나타냅니다. 물질은 아주 약한 자성을 나타냅니다.자화강도는 외자기장의 방향과 일치합니다. 또한 외자기장 H에 엄격히 비례합니다.

순자성 물질의 자성은 H와 관련이 있는 것 외에도 온도에 의존합니다. 그 자화율 H는 절대온도 T에 반비례합니다.
식에서 C를 퀴리 상수라고 하는데, 순자 물질의 자화 강도와 자기 모멘트 크기에 따라 결정됩니다.
순자성 물질의 자화율도 보통 작으며, 실온에서 H는 약 10-5입니다. 일반적으로 홀수 개의 전자를 포함하는 원자 또는 분자, 전자가 껍질층을 가득 채우지 않은 원자 또는 이온, 예를 들어 과도 원소, 희토류 원소입니다. 강철계 원소, 그리고 알루미늄 백금 등의 금속은 모두 순자성 물질에 속합니다.

강자성
Fe, Co, Ni와 같은 물질에 대하여 실온에서 자화율이 10-3수단에 이를 수 있다. 이러한 물질의 자성을 강자성이라고 합니다.
강자성 물질은 비교적 약한 자기장 안에서도 매우 높은 자화 강도를 얻을 수 있습니다. 또한 외부 자기장이 옮겨간 후에도 매우 강한 자성을 유지할 수 있습니다. 자화율은 플러스입니다. 그러나 외장이 커지면 자기 때문에빠르게 포화되어 H가 작아집니다.

 

자석

강자성 물질은 강한 자성을 가지고 있는데, 주로 이들이 강한 내부 교환장을 가지고 있기 때문입니다. 강자성 물질의 교환 에너지는 플러스이며, 또한 비교적 크기 때문에 인접 원자의 자기 모멘트가 평행하게 정렬됩니다. 정상태 물질 내부에 작은 영역인 자주를 많이 형성합니다. 각 자주는 대략 1015개의 원자가 있습니다. 이 원자들의 자기 모멘트는 같은 방향으로 배열되어 있는데, 결정 내부에 강한 "분자장"이라고 불리는 내장이 존재한다고 가정하면, "분자장"은 각 자주를 포화상태에 이르기에 충분합니다. 이렇게 자생하는 자화 강도를 자발 자화 강도라고 합니다. 그 존재로 인해 강자성 물질은 약한 자기장 아래서 강렬적으로 자화됩니다. 따라서 자발 자화는 강자성 물질의 기본 특징입니다. 역시 강자성 물질과 순자성 물질의 차이점입니다.

철자석의 강자성은 일정 온도 이하에서만 나타납니다. 이 온도를 초과하면 물질 내부의 열로 인해 전자 스핀 자기 모멘트의 평행한 취향을 파괴하므로 자발 자화 강도가 0이 되며 강자성은 사라집니다. 이 온도를 퀴리점이라고 합니다.ㅍ퀴리점 이상에서 재료는 강순자성을 나타내며, 그 자화율과 온도의 관계는 퀴리-외사의 법칙에 복종합니다.

반강자성

반강자성은 전자의 스핀에 의해 반대로 평행하게 배열되는 것을 말합니다. 전자 모멘트는 같은 부 격자에서 같은 방향으로 배열됩니다. 다른 부 격자에서 전자 모멘트는 반대 방향으로 배열됩니다. 두 개의 격자에서 자발자화 강도의 크기는 동일합니다. 방향은 반대입니다. 전체 결정입니다. 반철자성물질은 대부분 MnO와 같은 비금속 화합물입니다.

어떤 온도에서도 반강자성 물질의 어떠한 자발 자화 현상도 관찰할 수 없습니다. 따라서 거시적 특성은 순자성입니다. M과 H는 같은 방향에 있으며 자화율은 플러스입니다. 온도가 매우 높을 때는 극히 작습니다. 온도가 낮아지면 점점 커집니다.일정한 온도에서 최대치에 달합니다. 반강자성물질의 퀴리점 또는 닐점이라고 합니다. 닐점의 존재에 대한 설명은 매우 낮은 온도에서 인접 원자의 스핀이 완전히 반대이기 때문에 자기 모멘트가 거의 상쇄되기 때문에 자기화됩니다. 비율은 거의 0에 가깝습니다. 온도가 상승할 때 스핀의 역활을 약화시키고 증가시킵니다. 온도가 닐점 이상으로 상승할 때, 열소동의 영향이 비교적 큰데, 이때 반철 자석은 순자체와 상이 있습니다. 

오로라

오로라(Aurora)는 별의 높은 자기위 지역 상공에 나타나는 현란한 발광 현상입니다. 지구의 오로라는 지구 자기권과 태양으로부터의 고에너지 대전입자류(태양풍)입니다. 고층 대기 분자나 원자를 여기(또는 전리)시켜서 발생합니다. 오로라가 발생하는 조건은 대기, 자기장, 고에너지 하전 입자의 세 가지입니다. 이 셋 중 하나는 빼놓을 수 없습니다. 오로라는 지구에서만 나타나는 것이 아니라, 태양계 내의 다른 일부 자기장을 가진 행성에도 오로라가 있습니다.