강자성 어떤 물질을 강한 영구 자석 응답을 제공하는 속성이다. 자연에는이 속성을 가진 다섯 가지 요소가 있습니다 : 철, 코발트, 니켈, 가돌리늄 및 디스프로슘, 후자의 희토류입니다.
자연 자석이나 전자석에 의해 생성되는 것과 같은 외부 자기장이 존재하는 경우 물질은 내부 구성에 따라 특성 방식으로 반응합니다. 이 반응을 정량화하는 크기는 자기 투자율입니다.
다리를 형성하는 자석. 출처 : Pixabay
자기 투자율은 재료 내부에서 생성 된 자기장의 강도와 외부에서 적용된 자기장의 강도 사이의 몫으로 주어진 무 차원 양입니다.
이 대답이 1보다 훨씬 크면 재료는 강자성으로 분류됩니다. 반면 투자율이 1보다 크지 않으면 자기 응답이 약한 것으로 간주되어 상자성 물질입니다.
철에서 자기 투자율은 10 4 정도 입니다. 이것은 아이언 내부의 필드가 외부에 적용된 필드보다 약 10,000 배 더 크다는 것을 의미합니다. 이 미네랄의 자기 반응이 얼마나 강력한 지에 대한 아이디어를 제공합니다.
자기 반응은 물질 내부에서 어떻게 발생합니까?
자기는 전하의 이동과 관련된 효과로 알려져 있습니다. 그것이 바로 전류가 구성하는 것입니다. 그렇다면 냉장고에 메모가 붙어있는 막대 자석의 자기 적 특성은 어디에서 오는 것일까 요?
자석의 재료와 다른 모든 물질은 내부에 양성자와 전자를 포함하고 있으며, 이들은 자체 운동을하고 다양한 방식으로 전류를 생성합니다.
매우 단순화 된 모델은 양성자와 중성자로 구성된 핵 주위의 원형 궤도에있는 전자를 가정하여 작은 전류 루프를 형성합니다. 각 루프는 "궤도 자기 모멘트"라고하는 벡터 크기와 연관되며, 그 강도는 전류의 곱과 루프에 의해 결정되는 영역 인 Bohr 마그네 톤으로 제공됩니다.
물론,이 작은 루프에서 전류는 전자의 전하에 따라 달라집니다. 모든 물질은 내부에 전자를 포함하고 있기 때문에 원칙적으로 모두 자기 특성을 표현할 수 있습니다. 그러나 그들 모두가 그렇게하는 것은 아닙니다.
이는 자기 모멘트가 정렬되지 않고 내부에 무작위로 배열되어 거시적 자기 효과가 상쇄되기 때문입니다.
이야기는 여기서 끝나지 않습니다. 핵 주변의 전자 운동의 자기 모멘트 곱은이 척도에서 가능한 유일한 자기 원천이 아닙니다.
전자는 축을 중심으로 일종의 회전 운동을합니다. 본질적인 각운동량으로 변환되는 효과입니다. 이 속성을 전자 스핀 이라고 합니다.
당연히 그것은 또한 관련된 자기 모멘트를 가지며 궤도 모멘트보다 훨씬 강합니다. 사실, 원자의 순 자기 모멘트에 가장 큰 기여는 스핀을 통한 것이지만, 두 자기 모멘트 : 평행 이동과 고유 각운동량의 합이 원자의 총 자기 모멘트에 기여합니다.
이러한 자기 모멘트는 외부 자기장이있을 때 정렬되는 경향이 있습니다. 그리고 그들은 또한 물질의 인접한 순간에 의해 만들어진 필드로 그것을합니다.
이제 전자는 일반적으로 원자에서 많은 전자와 쌍을 이룹니다. 반대 스핀을 가진 전자 사이에 쌍이 형성되어 스핀 자기 모멘트가 상쇄됩니다.
스핀이 총 자기 모멘트에 기여하는 유일한 방법은 그들 중 하나가 짝을 이루지 않는 경우, 즉 원자가 홀수의 전자를 갖는 경우입니다.
핵에서 양성자의 자기 모멘트는 어떻습니까? 글쎄, 그들은 또한 스핀 모멘트를 가지고 있지만 원자의 자기에 크게 기여하는 것으로 간주되지 않습니다. 이는 스핀 모멘트가 질량에 반비례하고 양성자의 질량이 전자의 질량보다 훨씬 크기 때문입니다.
자기 도메인
철, 코발트, 니켈에서 자기 반응이 큰 원소의 삼 합체에서 전자에 의해 생성되는 순 스핀 모멘트는 0이 아닙니다.이 금속에서 3 차원 궤도의 전자는 순 자기 모멘트에 기여합니다. 이것이 그러한 재료가 강자성으로 간주되는 이유입니다.
그러나 각 원자의 개별 자기 모멘트는 강자성 물질의 거동을 설명하기에 충분하지 않습니다.
내부 강하게 자성 재료라는 지역이 있습니다 자기 도메인 확장자 (10) 사이에 다를 수 있습니다, -4 , 10 -1 cm와 원자의 수십억 포함은. 이 영역에서 인접한 원자의 순 스핀 모멘트는 단단히 결합됩니다.
자구가있는 물질이 자석에 접근하면 도메인이 서로 정렬되어 자기 효과가 강화됩니다.
막대 자석과 같은 도메인에는 같은 극이 밀어 내고 반대 극이 끌어 당기는 것과 같이 북쪽과 남쪽으로 동일하게 표시되는 자극이 있기 때문입니다.
도메인이 외부 필드와 정렬됨에 따라 재료는 적절한 증폭으로들을 수있는 크래킹 사운드를 방출합니다.
이 효과는 자석이 연철 못을 끌어 당기고 다른 못을 끌어 당기는 자석처럼 작동 할 때 볼 수 있습니다.
자기 도메인은 재료 내에 설정된 정적 경계가 아닙니다. 그 크기는 재료를 냉각 또는 가열하여 수정할 수 있으며 외부 자기장의 작용에 영향을받습니다.
그러나 도메인의 성장은 무제한이 아닙니다. 더 이상 정렬이 불가능한 순간에 재료의 포화 점에 도달했다고합니다. 이 효과는 아래의 히스테리시스 곡선에 반영됩니다.
재료가 가열되면 자기 모멘트의 정렬이 손실됩니다. 자화가 완전히 손실되는 온도는 재료 유형에 따라 다르며 막대 자석의 경우 일반적으로 약 770ºC에서 손실됩니다.
자석이 제거되면 항상 존재하는 열 교반으로 인해 못의 자화가 손실됩니다. 그러나 자발적으로 정렬 된 도메인을 가지고 있기 때문에 영구 자화를 갖는 다른 화합물이 있습니다.
연철과 같은 자화되지 않은 강자성 재료의 평평한 영역을 매우 잘 자르고 연마하면 자구를 관찰 할 수 있습니다. 이 작업이 완료되면 분말 또는 미세한 철분 파일링이 뿌려집니다.
현미경에서 칩은 재료의 자기 도메인을 따라 매우 잘 정의 된 방향으로 광물 형성 영역에 그룹화되어 있습니다.
서로 다른 자성 물질 간의 동작 차이는 도메인이 내부에서 동작하는 방식 때문입니다.
자기 히스테리시스
자기 히스테리시스는 높은 투자율을 가진 재료 만이 가지는 특성입니다. 상자성 또는 반자성 물질에는 존재하지 않습니다.
자화 및 감자주기 동안 강자성 금속 의 자기 유도 B 에 대해 H 로 표시되는 적용된 외부 자기장의 효과를 나타냅니다 . 표시된 그래프를 히스테리시스 곡선이라고합니다.
강자성 히스테리시스 사이클
초기 점 O에서 아무인가 전계 없다 H 또는 자기 응답 B는 하지만, 강도 등의 H의 증가 , 유도 B의 증가 점진적으로 도달 할 때까지 포화 크기 B 의 예상되는 지점 A,시.
이제 H 의 강도 는 0 이 될 때까지 점진적으로 감소 하여 점 C에 도달하지만 재료의 자기 응답은 사라지지 않고 B r 값으로 표시된 잔류 자화를 유지합니다 . 프로세스가 되돌릴 수 없음을 의미합니다.
거기에서 H 의 강도는 증가하지만 극성이 역전되어 (음의 부호) 지점 D에서 잔류 자화가 취소됩니다. H 의 필요한 값은 H c 로 표시되고 보자력 장 이라고 합니다 .
H 의 크기는 다시 E에서 포화 값에 도달 할 때까지 증가하고 H 의 강도는 0에 도달 할 때까지 즉시 감소하지만 이전에 설명한 것과 반대 인 극성 인 F 지점에서 잔류 자화가 남아 있습니다.
이제 H 의 극성이 다시 반전 되고 G 지점에서 물질의 자기 응답이 취소 될 때까지 그 크기가 증가합니다. 경로 GA를 따라 다시 포화 상태가됩니다. 그러나 흥미로운 점은 빨간색 화살표로 표시된 원래 경로로 거기에 도착하지 않았다는 것입니다.
자기 적으로 단단하고 부드러운 재료 : 응용
연철은 강철보다 자화하기 쉽고 재료를 두드리면 도메인 정렬이 더욱 용이 해집니다.
어떤 물질이 자화 및 자기 제거하기 쉬울 때 그것은 자기 적으로 부드럽다 고 말하고 , 물론 그 반대가 발생한다면 그것은 자기 적으로 단단한 물질 입니다. 후자에서는 자구가 작고 전자에서는 자구가 커서 위에서 설명한대로 현미경을 통해 볼 수 있습니다.
히스테리시스 곡선으로 둘러싸인 영역은 재료를 자화하는 데 필요한 에너지를 측정 한 것입니다. 그림은 두 가지 다른 재료에 대한 두 개의 히스테리시스 곡선을 보여줍니다. 왼쪽에있는 것은 자기 적으로 부드럽고 오른쪽에있는 것은 단단합니다.
부드러운 강자성 재료는 작은 보자력 장 H c 와 높고 좁은 히스테리시스 곡선을 가지고 있습니다. 전기 변압기의 코어에 배치하기에 적합한 재료입니다. 통신 장비에 유용한 연철 및 실리콘-철 및 철-니켈 합금이 그 예입니다.
반면에 자기 적으로 단단한 재료는 영구 자석이 만들어지는 알 니코 합금 (알루미늄-니켈-코발트) 및 희토류 합금의 경우처럼 자화되면 자기를 제거하기가 어렵습니다.
참고 문헌
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