물질 내의 자성

자석

1. 자석

• 철이나 니켈 등과 같은 금속을 끌어당기는 성질을 자성이라고 하는데, 이러한 자성을 지닌 물체를 자석이라고 함

2. 자석의 성질

• 전하의 경우 (+)전하와 (-)전하로 분리할 수 있는 것과는 달리, 자석은 계속해서 둘로 잘라도 N극과 S극으로 분리되지 않고 항상 N극과 S극이 쌍으로 존재함

자기 유도

1. 자기 유도

• 정전기 유도 현상과 유사하게 못과 같은 쇠붙이가 자석에 붙을 때 자석과 가까운 쪽에는 자석과 반대 종류의 자극이, 먼 쪽에는 같은 종류의 자극이 생기는 현상

2. 자기화

• 외부 자기장의 영향으로 원자 자석들이 일정한 방향으로 정렬되는 현상

물질의 자성

1. 물질의 자성

• 물질이 자석에 반응하는 성질로, 강자성·상자성·반자성으로 구분됨

2. 강자성

• 외부 자기장을 가했을 때 물질 내부의 원자 자석들이 외부 자기장의 방향으로 강하게 자기화되어 자석에 잘 붙는 성질로, 외부 자기장을 제거해도 자석의 효과가 오래 유지됨
• 예) 철, 니켈, 코발트 등

	강자성
외부 자기장을 가하기 전	물질 내 원자 자석들이 무질서하게 배열되어 자석의 효과가 나타나지 않음
외부 자기장을 가했을 때	원자 자석들이 외부 자기장의 방향으로 정렬되어 자기화가 나타남
외부 자기장을 제거했을 때	자기화된 강자성체는 외부 자기장을 제거하여도 자석의 효과가 오래 유지됨

3. 상자성

• 외부 자기장에 의해 물질 내부의 원자 자석들이 외부 자기장의 방향으로 약하게 자기화되어 자석에 약하게 붙는 성질로, 외부 자기장이 제거되면 자석의 효과가 즉시 사라짐
• 예) 종이, 알루미늄, 마그네슘, 텅스텐 등

	상자성
외부 자기장을 가하기 전	물질 내 원자 자석들이 무질서하게 배열되어 자석의 효과가 나타나지 않음
외부 자기장을 가했을 때	물질 내 원자 자석들이 외부 자기장의 방향으로 약하게 자기화됨
외부 자기장을 제거했을 때	외부 자기장을 제거하면 자석의 효과가 바로 사라짐

4. 반자성

• 외부 자기장을 가했을 때 물질 내부의 원자 자석들이 외부 자기장의 방향과 반대로 자기화되어 자석에 붙지 않는 성질로, 초전도체의 경우 강한 반자성을 띰
• 예) 구리, 유리, 플라스틱, 금, 수소, 물 등

	반자성
외부 자기장을 가하기 전	물질을 구성하는 각 원자들의 총 자기장이 0이 되어 원자 자석이 없는 상태임
외부 자기장을 가했을 때	물질 내 원자 자석들이 외부 자기장의 반대 방향으로 자기화됨
외부 자기장을 제거했을 때	각 원자들의 자기장이 0이 되어 원자 자석이 없는 상태가 됨

자성의 원인

1. 원자 내 전자의 운동

• 원자핵 둘레를 도는 궤도 운동과 전자 자신의 축을 기준으로 자전하는 스핀으로 구분됨 →궤도 운동과 스핀 때문에 자기장이 형성되므로 하나의 원자를 작은 자석으로 생각할 수 있음

2. 물질에서의 자성

• 대부분의 물질에서 전자들의 궤도 운동과 전자들의 스핀 운동에 의한 자기장은 0이거나 매우 작음 서로 반대 방향으로 궤도 운동을 하거나 서로 반대 방향의 스핀을 갖는 전자들과 짝을 이루어 전자가 만드는 자기장이 서로 상쇄되기 때문임
• 물질을 이루는 원자 내에 짝을 이루지 않는 전자들이 있으면 강자성이나 상자성이 나타남

3. 자성의 원인

• 물질을 구성하는 원자 내 전자의 운동에 의해 자기장이 발생하기 때문

(가) 원형 고리에 전류가 흐르면 원형 고리의 중심에서는 앙페르 법칙에 의해 아래 방향으로 자기장이 형성됨

(나) 전자가 원자핵 둘레를 시계 반대 방향으로 회전하면 전류는 시계 방향으로 흐르므로, 자기장의 방향은 전자의 궤도 면에 수직인 아래 방향이 됨

(다) 전자의 스핀의 회전 방향이 시계 반대 방향일 때 전류는 시계 방향으로 흐르므로, 자기장의 방향은 아래 방향이 됨