자화 벡터 수량이 물질의 자기 상태를 설명하는 단위 부피당 자기 쌍극자 모멘트의 양으로 정의된다. 예를 들어 철 또는 니켈과 같은 자성 물질은 쌍극자라고하는 많은 작은 자석으로 구성된 것으로 간주 될 수 있습니다.
일반적으로 이러한 쌍극자는 차례로 북쪽 및 남쪽 자극을 가지며 물질의 부피 내에서 어느 정도의 무질서 상태로 분포됩니다. 이 장애는 철과 같은 강한 자기 특성을 가진 물질에서 적고 자성이 덜 분명한 물질에서는 더 큽니다.
그림 1. 자기 쌍극자는 재료 내부에 무작위로 배열됩니다. 출처 : F. Zapata.
그러나 솔레노이드 내에서 생성되는 것과 같은 외부 자기장의 중앙에 재료를 배치하면 쌍극자가 자기장에 따라 배향되고 재료가 자석처럼 동작 할 수 있습니다 (그림 2).
그림 2. 예를 들어 전류 I가 통과하는 솔레노이드 내부에 철 조각과 같은 재료를 배치하면이 자기장은 재료의 쌍극자를 정렬합니다. 출처 : F. Zapata.
하자 M이 수 로 정의 자화 벡터 :
이제 재료의 자화 강도, 즉 외부 필드 H 에 잠긴 결과물 은 이에 비례하므로 다음과 같습니다.
남 ∝ H
비례 상수는 재료에 따라 달라지며 자기 감수성이라고하며 χ로 표시됩니다.
M = χ. H
국제 시스템에서 M 의 단위는 H 와 마찬가지로 암페어 / 미터 이므로 χ는 무 차원입니다.
궤도 및 회전 자기 모멘트
자기는 이동 전하에서 발생하므로 원자의 자기를 결정하려면 원자를 구성하는 하전 입자의 움직임을 고려해야합니다.
그림 3. 핵 주위의 전자 운동은 궤도 자기 모멘트와 함께 자기에 기여합니다. 출처 : F. Zapata.
원자핵을 공전하는 것으로 간주되는 전자에서 시작하여 작은 루프 (폐쇄 회로 또는 폐 전류 루프)와 같습니다. 이 움직임 은 크기가 다음 과 같은 궤도 자기 모멘트 벡터 m 덕분에 원자의 자기에 기여합니다 .
여기서 I는 현재 강도이고 A는 루프로 둘러싸인 영역입니다. 따라서 국제 시스템 (SI)에서 m 의 단위 는 암페어 x 제곱미터입니다.
벡터 m 은 그림 3과 같이 루프 평면에 수직이며 오른쪽 엄지 손가락의 규칙에 따라 지시됩니다.
엄지 손가락은 전류 방향으로 향하고 나머지 네 손가락은 루프를 감싸 위쪽을 가리 킵니다. 이 작은 회로는 그림 3과 같이 막대 자석과 동일합니다.
자기 모멘트 회전
궤도 자기 모멘트와는 별도로 전자는 마치 스스로 회전하는 것처럼 행동합니다. 정확히 이런 식으로 발생하지는 않지만 결과는 동일하므로 원자의 순 자기 모멘트를 고려해야하는 또 다른 기여입니다.
사실, 스핀 자기 모멘트는 궤도 모멘트보다 더 강하며 주로 물질의 순 자기를 담당합니다.
그림 4. 스핀 자기 모멘트는 재료의 순 자화에 가장 많이 기여하는 모멘트입니다. 출처 : F. Zapata.
스핀 모멘트는 외부 자기장이있을 때 정렬되고 연속적인 효과를 만들어 인접 모멘트와 연속적으로 정렬됩니다.
모든 재료가 자기 특성을 나타내는 것은 아닙니다. 이는 반대 스핀을 가진 전자가 쌍을 형성하고 각각의 스핀 자기 모멘트를 취소하기 때문입니다.
페어링되지 않은 경우에만 전체 자기 모멘트에 기여합니다. 따라서 홀수 전자를 가진 원자 만 자성을 가질 수 있습니다.
원자핵에있는 양성자는 또한 스핀과 관련 자기 모멘트를 가지고 있기 때문에 원자의 총 자기 모멘트에 작은 기여를합니다.
그러나 이것은 질량에 반비례하며 양성자의 것은 전자의 것보다 훨씬 큽니다.
예
전류가 흐르는 코일 내부에는 균일 한 자기장이 생성됩니다.
그리고 그림 2에서 설명한 바와 같이 재료를 거기에 놓을 때 이것의 자기 모멘트는 코일의 자기장과 정렬됩니다. 순 효과는 더 강한 자기장을 생성하는 것입니다.
교류 전압을 높이거나 낮추는 장치 인 변압기가 좋은 예입니다. 연철 코어에 감긴 1 차 및 2 차 코일 두 개로 구성됩니다.
그림 5. 변압기의 코어에서 순 자화가 발생합니다. 출처 : Wikimedia Commons.
변화하는 전류는 코어 내의 자기장 라인을 교대로 수정하는 1 차 코일을 통과하여 2 차 코일에 전류를 유도합니다.
진동의 주파수는 동일하지만 크기는 다릅니다. 이러한 방식으로 더 높거나 더 낮은 전압을 얻을 수 있습니다.
코일을 단단한 철심에 감는 대신 바니시로 덮인 금속 시트를 채우는 것이 좋습니다.
그 이유는 코어 내부에 맴돌이 전류가 존재하여 과열되는 효과가 있지만 시트에 유도되는 전류가 낮아 장치의 발열이 최소화되기 때문입니다.
무선 충전기
휴대 전화 나 전동 칫솔은 자기 유도 방식으로 충전 할 수 있는데,이를 무선 충전 또는 유도 충전이라고합니다.
그것은 다음과 같은 방식으로 작동합니다. 솔레노이드 또는 메인 코일이있는베이스 또는 충전 스테이션이 있으며이를 통해 변화하는 전류가 통과합니다. 또 다른 (보조) 코일이 브러시 핸들에 부착됩니다.
1 차 코일의 전류는 브러시가 충전 스테이션에 놓일 때 핸들 코일에 전류를 유도하고 핸들에있는 배터리를 충전합니다.
유도 전류의 크기는 철일 수있는 강자성 물질의 코어가 메인 코일에 배치 될 때 증가합니다.
1 차 코일이 2 차 코일의 근접성을 감지하기 위해 시스템은 간헐적 인 신호를 방출합니다. 응답이 수신되면 설명 된 메커니즘이 활성화되고 케이블 없이도 전류가 유도되기 시작합니다.
자성 유체
물질의 자기 적 특성에 대한 또 다른 흥미로운 응용은 자성 유체입니다. 이들은 유기물 또는 물일 수있는 액체 매질에 현탁 된 페라이트 화합물의 작은 자성 입자로 구성됩니다.
입자는 응집을 방지하는 물질로 코팅되어 액체에 분포되어 있습니다.
아이디어는 액체의 유동성이 페라이트 입자의 자성과 결합되어 그 자체로는 강하게 자성을 갖지 않지만 위에서 설명한 것처럼 외부 장의 존재에서 자화를 얻는 것입니다.
획득 한 자화는 외부 필드가 제거되는 즉시 사라집니다.
자성 유체는 원래 NASA가 중력없이 우주선 내에서 연료를 동원하여 자기장의 도움으로 충격을주기 위해 개발했습니다.
현재 자성 유체에는 다음과 같은 많은 응용 분야가 있으며 일부는 아직 실험 단계에 있습니다.
-스피커 및 헤드폰의 소음기 마찰을 줄이십시오 (반향 방지).
-밀도가 다른 재료를 분리 할 수 있습니다.
-하드 드라이브의 샤프트에 씰 역할을하고 먼지를 제거합니다.
-암 치료제로 (실험 단계). 자성 유체를 암세포에 주입하고 자기장을 가하여 작은 전류를 생성합니다. 이들에 의해 생성 된 열은 악성 세포를 공격하여 파괴합니다.
참고 문헌
- 브라질 물리학 저널. 자성 유체 : 특성 및 응용. 출처 : sbfisica.org.br
- Figueroa, D. (2005). 시리즈 : 과학 및 공학 물리학. 볼륨 6. 전자기학. Douglas Figueroa (USB) 편집. 215-221.
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- Kirkpatrick, L. 2007. Physics : A Look at the World. 6 차 요약 판. Cengage 학습. 233.
- Shipman, J. 2009. 물리 과학 소개. Cengage 학습. 206-208.