magnet

철을 끌어당기며 그 자신 주위에 자기장을 만들 수 있는 물질.

개요

19세기말까지 알려진 모든 원소와 많은 화합물에 대해 자성의 여부가 측정되었으며 모든 물질이 어느 정도의 자성을 가진다는 것이 밝혀졌다. 가장 흔한 것은 반자성(反磁性 diamagnetism)인데 이것은 자석의 두 극에 약한 척력을 나타내는 물질을 말한다. 크롬과 같은 물질은 상자성(常磁性 paramagnetism)을 나타내는데 이는 자석 가까이가져갔을 때 유도자화를 약하게 일으키는 것이다. 이런 자기화는 자석을 치우면 없어진다. 철·니켈·코발트의 3가지 원소들만이 강자성(强磁性 ferromagnetism : 영구히 자기화된 상태로 남는 능력)을 보인다.

자기화과정

 

현재 자기화의 특성을 나타내는 양은 1850년에 윌리엄 톰슨(켈빈 경)에 의해 정의되고 명명되었다.

기호 B는 자기화한 물질 안에서 자속밀도의 크기를 나타내며

기호 H는 자화력의 크기, 즉 B를 만드는 자기장을 나타낸다.

그 둘은 방정식 B〓μH에 의해 표현되는데 그리스문자 μ는 물질의 투자율(透磁率)을 나타내며 주어진 자기장에서 물질 내에 생성될 수 있는 자기화의 강도에 대한 치수이다.

B에 대한 국제표준규격(International Standard/SI)의 현대식 단위는 T(테슬라), 즉 Wb/㎡(제곱미터당 웨버수)이며

H에 대한 단위는 A/m(미터당 암페어수)이다. 그 단위들은 이전에는 각각 G(가우스)와 (에르스텟)으로 불렸다.

μ의 단위는 H/m(미터당 헨리수)이다.

이력 곡선 /전형적인 이력 곡선

 

모든 강자성체는 내부마찰로부터 일어나는 에너지 손실에 기초하여, 변화하는 힘에 대해 반응이 지연되는 이력(履歷 hysteresis)현상을 나타낸다.

B가 여러 H값에 대해 측정되어 그결과가 그래프 형태로 그려진다면 이력곡선이라고 하는, 그림에 보여진 형태의 고리를 나타낸다.

그 이름은 H가 증가할 동안 B값이 따르는 경로가 H가 감소할 동안 따르는 경로와 다르다는 상황을 설명한다.

이 도표를 가지고 자석으로 사용되는 물질의 성능을 기술하는 데 필요한 특성들을 정의할 수 있다.

B_s는 포화자속밀도이며 물질이 얼마나 강하게 자기화하는지를 나타내는 치수이다.

B_r은 잔류자속밀도이며 자기장이 제거된 후에도 남아 있는 여분의 영구적인 자기화이다. B_r은 명백히 영구자석의 성질을 나타내는 치수이다.

 

잔류자기상태의 시료물질에서 자성을 없애기 위해 시료의 자기화에 반대하는 역자기화장을 가해주는 것이 필요하다. 자기화의 크기를 0으로 감소시키는 데 필요한 장의 세기를 보자력(補磁力 coercive force) H_c라고 하며 A/m수로 측정된다.

영구자석이 장시간 동안 손실 없이 자기화의 성질을 유지하기 위해서 Hc는 가능한 한 커야 한다. 자기화시키는 데 강한 장의 세기를 필요로 하는 포화자속밀도가 큰 물질은 B_r와 H_c가 큰 값으로 결합되어 나타난다. 따라서 영구자석물질들은 종종 그 물질이 가질 수 있는 B와 H의 최대곱인 (BH)_max를 인용하여 특성을 나타낸다. 이 (BH)_max의 곱은 주어진 간격 내에 필요한 자속밀도를 만들어내는 데 요구되는 영구자석물질의 최소 부피를 나타내는 수치이며 때때로 에너지 곱이라고도 한다.

1907년에 강자성체는 각각이 포화상태까지 자기화된, 자기구역(磁氣區域)이라고 하는 많은 수의 작은 체적들로 구성되어 있다는 것이 제안되었다. 1931년에는 그러한 구역의 존재가 직접적인 실험에 의해 처음으로 증명되었다. 강자성체 전체적으로는 각 구역의 자기화의 방향이 무작위로 분포되어 있을 때 자성을 띠지 않은 것으로 보인다. 각 구역은 이웃 구역들과 자기 구역벽에 의해 분리되어 있다. 벽에서 자기화의 방향은 한 구역의 방향에서 이웃 구역의 방향으로 바뀐다.

자기화의 과정은 완전히 비자기화(非磁氣化)된 상태로부터 출발하는데 3단계를 포함한다. 즉,

① 낮은 자기장에서 자기구역벽의 가역운동은 자기화장의 일반적인 방향으로 향한 구역들이 다른 방향으로 향한 구역들을 없애면서 성장하는 식으로 일어난다. 그 벽은 자기장을 제거하면 원래의 위치로 돌아가며 잔류자기화는 없다.

② 중간 세기의 자기장에서는 자기구역벽의 운동이 더 크게 일어나며 많은 운동이 비가역적이다. 자기장방향으로 향한 구역들의 부피는 상당히 증가한다. 자기장을 제거해도 모든 벽들이 원래의 위치로 돌아가지 않으며 잔류자기화가 있게 된다.

③높은 자기장에서는 구역벽은 더 크게 움직이는데 시료를 완전히 휩쓸며 지나갈 정도이다. 자기장의 세기가 증가함에 따라 남아 있는 구역들의 자기화 방향은 서서히 회전하며 결국에는 모든 곳에서 자기장에 평행이 되며 시료물질은 포화상태까지 자기화한다.

 

자기장을 제거하면 구역벽은 다시 나타나며 구역의 자기화는 원래의 장의 방향과 벗어나게 회전할 수 있다. 잔류자기화는 최대값을 갖는다(→ 강자성구역).

B_rH_c 그리고 (BH)_max의 값들은 구역벽이 물질 내에서 얼마나 쉽게 움직이는가와 구역의 자기화가 얼마나 쉽게 회전하는가에 좌우된다. 물질 내에 불연속이나 결함이 있으면 구역벽의 운동에 장애물이 된다. 그래서 자기화장이 장애물을 넘어 지나기까지 구역벽에 작용하고 구역벽은 역방향의 장이 그것을 다시 뒤로 가도록 가해지지 않는다면 원래의 위치로 돌아갈 수 없다. 따라서 이러한 장애물의 효과는 잔류자기를 증가시키는 것이다. 역으로 결함이 거의 없는 순수하고 균일한 물질의 경우, 비교적 작은 크기의 장으로 물질을 포화상태로 자기화하기가 쉬우며 잔류자기화의 크기는 작다.

 

자기소거와 자기비등방성

자기구역회전에 관한한 고려해야 할 중요한 2가지 요인이 있는데 이는 자기소거(demagnetization)와 자기비등방성(방향에 따라 자기적 특성이 다르게 나타나는 현상)이다. 이들 중 첫번째는 자기화된 시료의 형상에 관련된다. 어떤 자석이건 그 주위의 공간에 자기장을 생성한다. 이 장의 역선의 방향은 이 장에 의해(가상적인) 단일 자기북극에 작용하는 힘의 방향으로 정의되며 그 자석을 원래 자기화시킬때 사용된 장의 방향과 반대이다. 그래서 어느 자석이건 그 자신의 자기를 소거시키려는 방향을 가진 자체 생성된 장 내에 존재한다. 이 현상은 자기소거인자(demagnetizing factor)로 기술된다. 자기력선이 자석 내에만 국한되고 주위의 매체로 나가는 것이 허용되지 않는다면 자기소거효과는 없을 것이다. 그러므로 모든 역선이 물질 내에서 폐곡선을 이루도록 원주 주위로 자기화한 고리 모양의 자석은 그 자신에 대해 자기소거를 하려하지 않을 것이다. 막대자석의 경우 자석들을 짝으로 두어 북극과 남극을 서로 인접하여 평행하게 놓고 연철로 만든 보자철편(保磁鐵片)을 각 끝에 걸치도록 함으로써 자기소거현상을 최소로 할 수 있다.

자기소거가 구역회전에 관련되어 있음은 자기소거장(demagnetizing field)을 자기 에너지가 저장된 것으로 간주할 수 있다는 사실에서 비롯된다. 모든 자연계와 마찬가지로 자석은 구속력이 없는 상황에서는 저장된 에너지를 최소화하는 방향으로 자기화를 유지하려 한다. 즉 자기소거장을 가능한 한 작게 만들려고 한다. 이 최소 에너지의 상태에서 벗어나게 자기구역을 회전시키려면 자기소거장을 증가시키는 데 들어가는 에너지를 위해 일을 필요로 한다. 따라서 한 구역의 자기화를 자연적인 최소 에너지 상태로부터 회전시키려고 시도한다면, 자기소거력을 거슬러서 회전을 증진시키기 위해 가해진 장이 일을 해야 한다는 의미에서 그 회전은 방해받는다고 말할 수 있다. 이 현상은 결국에는 시료의 전체 형상에 의해 결정되어버리는 구역의 기하학적 모양 때문에 일어나므로 형상비등방성이라고도 한다.

구역회전을 방해하는 2번째 기구인 자기결정비등방성(magnetocrystalline anisotropy)을 논할 때에도 최소 에너지에 대한 고려가 비슷하다. 1847년에 자기적 성질을 가진 결정에서 자기화가 더 잘 일어나는 방향이 있다는 것이 처음으로 관측되었다. 이 현상은 결정 내에서 원자배열의 대칭성과 관계가 있다. 예를 들면 입방결정형상인 철은 입방체의 모서리 방향이 다른 방향보다 자기화시키기가 쉽다. 따라서 6개의 입방체 모서리 방향은 자기화용이 방향(easy directions of magnetization)이며 그 결정의 자기화는 비등방성이라고 한다. 자기비등방성은 물질 내의 변형률에 의해서도 생길 수 있다. 자기화는 내부에 존재하는 변형의 방향에 평행 또는 수직으로 정렬하려는 경향이 있다. 어떤 자기합금들도 유도자기비등방성의 현상을 나타낸다. 그런 물질들이 고온에서 가열될 동안 외부자기장이 가해지면 자기화용 방향은 가해진 자기장과 일치하는 방향으로 유도되는 것이 관측된다.

위의 설명은 강철이 왜 연철보다 더 좋은 영구자석인지를 말해준다. 강철의 탄소는 철 내부에 소위 이차상(二次相)을 이루는 철탄화물의 작은 결정립(結晶粒)을 침전시킨다. 침전입자와 모체인 철 사이의 상경계(相境界)는 구역벽이 움직이는 장애물을 형성하며 따라서 보자력과 잔류자기는 순수한 철에 비해 증가한다. 그런데 가장 좋은 영구자석은 구역벽이 모두 자리에 고정되어 있고 모든 구역의 자기화가 서로 평행되게 정렬해 있는 자석일 것이다. 이 상황은 높은 포화자기화값을 갖는 많은 입자들로부터 자석을 구성한 결과로 구상화할 수 있는데 입자들 각각은 단일구역이며, 원하는 방향으로 단축비등방성을 갖고 있고, 또 자가 자기화는 다른 모든 것들과 평행하게 정렬해 있다.

분말자석

밀집된 분말로 이루어진 자석을 만드는 문제는 근본적으로 입자가 하나의 단일구역을 포함한 만큼 충분히 작지만 강자성을 완전히 잃을 만큼 그렇게 작지는 않게 그 크기를 조절하는 문제이다. 그러한 자석의 장점은 원하는 모양으로 쉽게 주조되고 기계작업을 할 수 있는 것이다. 분말자석의 단점은 단일구역의 입자들이 서로 밀집될 때 보자력을 감소시키며, 정도는 덜하지만 잔류자기도 감소시키는 강한 상호작용을 한다는 것이다. 그 상호작용의 본질은 근본적으로 주어진 입자의 자기소거장이 이웃 입자의 존재로 인해 감소한다는 것이며 얻을 수 있는 H_c와 (BH)_max의 최대값을 제한한다. 이보다 더 큰 성공은 자기합금의 개발이었다(→ 분말야금).

 

고(高)비 등방성 합금

위에 기술한 물질들의 단축이 등방성이 큰 이유는 형상에 좌우되기 때문이다. 단축 자기결정비등방성이 큰 물질들에 대해서 많은 연구가 행해졌다. 이중에서 가장 성공적인 것은 코발트-백금(CoPt)과 망간-비스무스(MnBi)합금이다.

 

알니코 합금(alnico alloys)

강한 보자력은 구역벽이 운동을 할 수 없는 곳에서 얻어진다. 이 조건은 두 상이 공존하는 합금에서 일어날 수 있는데, 특히 한쪽 상이 다른 상의 기질 속에 미세하게 나누어진 침전물일 경우에 더욱 그렇다. 철·니켈·알루미늄의 세 원소를 포함하는 합금이 바로 그런 특성을 나타내며, 이 체계를 기본으로 하고 코발트·구리·티타늄 같은 여러 원소를 첨가한 영구 자석물질을 알니코 합금이라고 한다.

희토류원소-코발트 합금(race-earth-cobalt alloys)

많은 원소들의 고립된 원자는 유한한 자기 모멘트를 가진다(즉 원자들은 그 자신이 작은 자석임). 그런데 원자들이 그 원소의 고체형상을 이루도록 서로 모이면 대부분은 그들의 자성이 상쇄되고 그 고체는 강자성을 띠지 않는 식으로 상호작용한다. 흔한 원소들인 철·니켈·코발트에서만 그 상쇄과정이 상온 부근과 그 이상의 온도에서 원자당 유효순수자기 모멘트를 남긴다. 그런데 불행하게도 16℃ 이상의 온도에서는 강자성을 잃으며 실제적으로 중요하지 않게 된다. 희토류원소들 가운데 몇 개가 극저온에서 강자성특성을 보이며 그 대부분의 원소가 큰 원자 모멘트를 갖고 있다. 그런데 그들은 실제적인 가치가 별로 없다.

 

바륨페라이트(barium ferrites)

본질적으로 BaO·6Fe₂O₃인 바륨페라이트는 기본적으로 자기를 띤 철산화물의 자철광이 변형된 것이며 육방정계의 형상이다. 이 구조로 인해 H_c를 큰 값으로 만들 수 있는 단축 자기비등방성이 매우 크다. 불만화한 물질은 자기적으로 정렬될 수 있고 후에 빽빽하게 모아서 소결(燒結)할 수 있다. 소결과정의 온도와 지속시간은 결정립의 크기를 결정하며 자석의 특성을 목적에 맞게 맞출 수 있는 수단을 제공한다. 결정립이 아주 작을 경우에는 보자력이 크며 잔류자기는 포화자속밀도의 중간값의 범위에 있다. 큰 결정립은 B_r이 크지만 H_c가 작다. 이 물질은 텔리비전 브라운관의 초점을 맞추는 자석으로 텔리비전 산업에 널리 사용되었다.

 

투자성 물질

모터·발전기·변압기·전자석같이 자기장을 이용하는 자기장치들 중 많은 것들이 좋은 영구자석에 요구되는 특성과는 아주 반대의 특성을 가진 자성물질을 필요로 한다. 그런 물질들은 비교적 작은 자기장으로 선속밀도가 높은 값이 되게 자기화할 수 있어야 하며 자기장을 제거하면 자기화가 완전히 없어져야 한다.

철은 3가지 강자성 금속 중에서 원자당 자기 모멘트 값이 가장 크기 때문에 높은 포화선속밀도가 요구되는 응용분야에는 가장 적합한 물질이다. 가장 쉽고 가능한 자기구역벽의 운동을 얻기 위해 가능한 한 결함이 없는 철을 만들 수 있는 방법을 결정하기 위해 광범위한 연구가 행해졌다. 탄소·황·산소·질소 같은 원소의 존재는 작은 양이라도 특히 해가 되며, 따라서 전기장치에 사용되는 판금물질은 전체 불순양이 0.4％ 이하이다(→ 투자율).

철은 적은 양(약 4％)의 실리콘과 합금을 만듦으로써 중요한 이점이 얻어진다. 첨가된 실리콘은 철의 자기결정비등방성을 줄이며 따라서 보자력과 이력손실(hysteresis loss)이 줄어든다. 포화자속밀도가 감소하지만 이 손실은 전기저항의 증가를 포함하는 다른 이점에 의해 보상되고도 남는다. 저항의 증가는 자력선속이 교류적으로 변화하는 응용분야에서 중요한데 이는 자성체 내에 와전류(eddy current)가 유도되기 때문이다. 비저항이 작아지고 교류변화의 진동수가 커질수록 와전류도 커진다. 와전류에 의해 물질이 가열됨으로써 에너지의 손실을 가져오는데, 주어진 진동수에서 물질의 비저항을 증가시킴으로써 손실을 최소화할 수 있다. 적당한 제조과정을 거쳐서 결정립들이 우선방향을 많이 갖도록 실리콘-철의 박판 물질을 만들 수 있다. 그러면 그 물질은 자기화가 우선방향으로 향하며, 이 방향으로 높은 투자율과 저손실이 얻어진다. 상업적으로 생산된 물질은 약 3.2％의 실리콘을 포함하며 냉각환원되고 입자단위로 이루어진 규소강으로 알려져 있다.

여러 비유로 섞인 니켈과 철의 합금은 퍼멀로이(permalloy)라는 일반적인 이름이 있다. 니켈의 함량이 줄어들수록 포화자기화는 증가하여 50％ 함량일 때 최대값이고 27％에서는 0으로 떨어지고 그 이후엔 다시 순수한 철이 가지는 값으로 증가한다. 투자율의 최대값은 78.5％의 니켈 함량에서 나타나는데 이 합금을 퍼멀로이 A라고 한다. 잘 처리된 퍼멀로이 A에서의 상대 투자율의 최대값은 100만 정도의 값에 도달할 수 있기 때문에 이 합금은 유용하며 낮은 자속밀도에서 철과 규소강보다 우세하다.

육방정계 형상인 바륨페라이트 외에, Me가 금속을 나타낼 때 일반적인 화학구조식 MeO·Fe₂O₃를 갖는 대부분의 페라이트들은 자기적으로 유용하게 이용된다. 그들은 입방정계로 결정화하는 첨정석(MgAl₂O₄)을 본떠서 스피넬(spinel)이라고 하는 다른 결정형상을 갖는다. 모든 스피넬 페라이트는 연자성(soft magnetic) 물질이다. 즉 작은 보자력과 좁은 이력곡선을 나타낸다. 게다가 모두 다 높은 전기 비저항과 높은 상대투자율을 가지며 따라서 고주파 전기장치에 사용되기에 적합하다. 그들의 포화자기화는 합금에 비해 작은데 이 성질로 인해 큰 자기장과 큰 전력을 필요로 하는 변압기에는 사용이 제한된다. 또 딱딱하고 깨지기 쉬운 세라믹(ceramic)류의 물질이어서 기계가공이 어렵다. 그럼에도 불구하고 널리 쓰이는데 가장 중요하게는 컴퓨터 기억장치에 사용되는 것이다.