물질의 자성

1. 자성

1) 자성

자성이란 물질이 자석 또는 외부 자기장에 반응하는 성질로, 자성을 띠는 물질을 자성체라고 하고 외부 자기장의 영향으로 원자 자석들이 일정한 방향으로 정렬되는 현상을 자기화라고 합니다.

[ConFer]
원자 자석이란 원자 규모의 자석으로, 물질 내부에서 각각의 원자가 자석 역할을 하므로 자석을 아무리 잘게 잘라도 계속 자석의 성질을 유지할 수 있습니다.

2. 자성의 성질과 원인

1) 자성의 성질

자성은 물질을 구성하는 원자 내부의 전자에 의해서 형성됩니다. 원자는 원자 내부의 전자의 운동으로 인해 자기장을 가질 수 있으며, 원자 내에서 궤도 운동이 서로 반대이거나 스핀이 서로 반대인 전자가 짝을 이루면 자기장이 상쇄됩니다. 쌍을 이루지 않는 전자를 갖는 원자는 물체가 자기장을 만들도록 합니다.

2)자성의 원인

① 전자의 궤도 운동

음(-)전하를 갖는 전자가 원자핵 주위를 반시계 방향으로 궤도 운동을 하면 전류가 시계 방향으로 흐르는 것과 같은 효과가 나타나므로 원형 전류에 의한 자기장과 유사한 자기장이 형성됩니다.

② 전자의 스핀

전자가 시계 반대 방향으로 자전할 때 전류가 시계 방향으로 흐르는 것과 같은 효과가 나타나므로 전자가 자전 운동을 하는 축에 나란한 자기장이 형성됩니다.

[ConFer]
전류의 방향과 전자의 이동 방향은 서로 반대이며, 물질이 자성을 띠는 데 중요한 역할을 하는 것은 전자의 스핀입니다. 일반적으로 물질에서 전자의 스핀이 전자의 궤도 운동보다 더 센 자기장을 형성합니다.

3. 자성체의 종류

1) 자성의 종류

① 강자성

강자성은 외부 자기장을 가했을 경우 물질 내부의 원자 자석들이 외부 자기장의 방향으로 강하게 자기화 되는 성질입니다.

② 상자성

상자성은 외부 자기장을 가했을 경우 물질 내부의 원자 자석들이 외부 자기장의 방향으로 약하게 자기화 되는 성질입니다.

③ 반자성

반자성은 외부 자기장을 가했을 경우 물질 내부의 원자들이 외부 자기장의 반대 방향으로 자기화 되는 성질입니다.

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강자성체는 자석이 아닙니다. 강자성체는 자기화 상태가 오래 유지되지만, 시간이 지날수록 자기화된 자기 구역이 흐트러지기 때문에 영구적이지는 않습니다. 이때 자기 구역은 물체 내에서 동일한 자기장 방향을 갖는 원자의 집단으로 모양과 크기가 다양하고, 강자성체에만 존재합니다.

2) 자성체의 종류

① 강자성체

강자성체에 자석을 가까이 가져가면 쉽게 끌려옵니다.자기화된 강자성체는 외부 자기장을 제거해도 자기화된 상태가 오래 유지되며, 같은 방향의 자기장을 갖는 원자들이 모여 있는 자기 구역을 가집니다. 일정 온도 이하에서는 원자 자석이 강하게 상호작용을 하며 스스로 한 방향으로 정렬합니다. 또한 강자성체는 원자 내의 짝을 이루지 않은 전자들이 많습니다. 외부 자기장이 작용하지 않을 때도 강자성체는 불규칙한 자기 구역을 이루고 있습니다.

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강자성체도 일정 온도 이상에서는 자기 구역이 사라지며 상자성체가 됩니다. 이 온도를 퀴리 온도라고 합니다.

② 상자성체

상자성체에 자석을 가까이 하면 자석에 붙지만, 그 강도가 강자성체에 비해 떨어집니다. 자기화된 상자성체는 외부 자기장을 제거하면 바로 자기화된 상태가 풀립니다. 상자성체의 경우, 외부 자기장이 작용하지 않으면 원자 자석이 불규칙하게 배열되고 원자 자 내에 짝을 이루는 전자들이 많습니다.

③ 반자성체

반자성체에 자석을 가까이 하면 약하게 밀려납니다. 외부 자기장이 작용하지 않을 때, 전자들은 모두 반대 스핀을 갖는 전자와 쌍을 이뤄 자기장이 완전히 상쇄되어 자기장을 갖지 않습니다. 반자성체는 외부 자기장이 없을 때는 원자 자석이 없고, 외부 자기장을 가하고 제거하면 바로 자기화된 상태가 사라집니다.

4. 자성체의 활용

1) 강자성체의 활용

강자성체는 신용 카드나 통장의 자기 테이프, 하드 디스크, 액체 자석, 고무 자석, 캡슐형 내시경 등에서 활용됩니다.

2) 상·반자성체의 활용

상자성체의 대표적인 예로는 액체 산소가 있습니다. 또한 특정 온도(임계 온도) 이하에서 전기 저항이 0이 되는 물질로 임계 온도 이하에서는 열이 발생하지 않는 초전도체는 강한 전류가 흐를 수 있어 강한 자기장을 발생시킬 수 있습니다.

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초전도체에 자기장을 걸어주었을 때 물체는 물체 내부의 자기장을 완전히 밀어내려고 하는 성질을 갖는데, 이런 현상을 마이스너 효과라고 하며, 자기 부상 열차나 자기 공명 영상 장치(MRI) 등에 활용되고 있습니다.