전자기장 #2 - 물질의 자성

 

그냥 외우면 되는데 너무 쉬워서 한번만 읽어도 다맞는다.

 

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- 자성 -

자성 : 물질이 가진 자기적 성질.

자성을 가진 물체를 자성체라 한다.

예를 들자면 자석이 자성체다.

 

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- 자성의 원인 -

 

물체가 자성을 갖는 이유는

물질을 구성하는 원자 내 전자의 운동에 의한 자기장 때문이다.

바로 전 단원에서 전류의 흐름이 자기장을 발생시킨다 했다.

전자의 운동 = 전기의 흐름 → 자기장 발생

 

 

1. 전자의 궤도 운동

전자가 원자핵 주변을 궤도에 따라 돈다.

전류의 방향은 전자의 운동 방향과 반대이고

그럼 저 원자는 시계방향으로 전류가 흐르고 있다고 볼 수 있다.

전류의 방향이 전자의 운동 방향과 반대인 이유는

그냥 그렇게 정해서다.

전기가 양극에서 음극으로 흐른다고 정의 해놨는데

전자가 음극에서 양극으로 흐르는걸 늦게 발견해서 그렇게 된거다.

아무튼 저 원자는 시계방향으로 전류가 흐르고 있다고 볼 수 있으므로

오른손 법칙 쓰면

아래쪽 방향의 자기장이 형성된다.

 

 

2. 전자의 스핀

 

방금께 전자가 원자핵 주변을 도는 운동이면

이거는 전자 자체가 자전하는 운동이다.

전류의 방향은 전자의 회전 방향의 반대이므로

이것도 전류가 시계방향으로 흐른다고 볼 수 있다.

따라서 똑같이 오른손법칙 쓰면

중심에서 아래쪽방향이 자기장의 방향이다.

 

즉 정리하자면

1. 전자의 공전에 의한 자기장

2. 전자의 자전에 의한 자기장

3. 따라서 원자도 하나의 자석으로 볼 수 있다.

 

근데 실제로는 대부분의 물질이 자성을 띠지 않는다.

그 이유는

저건 원자 하나만 놓고 말한거지

수많은 원자들이 무질서하게 놓여있을텐데

그러면 결국 수많은 원자들이 만드는 자기장의 합이 0이 될것이고

그래서 자성을 띠지 않는것이다.

예를 들어 스핀이 서로 반대인 전자들이 짝을 이루고 있다고 해보자.

그러면 스핀 방향이 서로 반대니까

만드는 자기장의 방향도 반대고

상쇄시키면서 자기장이 0이 되는것이다.

 

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- 자기화 -

자화 라고도 한다.

대부분의 물질이 자성을 띠지 않는 이유는

수많은 원자들이 서로가 만드는 자기장을 상쇄시켜서 결국 0이 되기 때문이라 했는데

여기다가 외부 자기장을 가하면

원자 자석들이 규칙적으로 배열되는데

그러면 물질들이 비로소 자성을 띠게 될것이고

이런걸 '자기화 시킨다'라고 한다.

쉽게 말해서

자기화 시킨다 = 자성을 띠게 만든다

근데 물질에 따라 자기화되는 정도나 방식이 다르다.

 

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- 자성의 종류 -

물질에 따라 자기화되는 정도나 방식이 다르다고 했다.

즉 물질에 따라 자기화될때 띠는 자성이 다르다.

이걸 3가지로 나눌 수 있다.

1. 강자성

2. 상자성

3. 반자성

 

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- 강자성 -

자석을 철 클립에 갖다대면 클립이 붙는다.

즉 자석과 클립 사이에 서로 당기는 자기력이 발생했다.

자석을 클립에서 뗀 다음

다른 철 클립을 아까 자석에 붙였던 클립에 가까이 대면

클립이 서로 붙게된다.

서로 당기는 자기력이 작용한것이다.

클립은 자석이 아닌데

자석에 붙였다 뗐더니 자석처럼 자화된 상태를 유지하고 있는것이다.

이런걸 강자성 이라고 한다.

외부 자기장의 방향으로 원자 자석들이 배열된다.

즉 외부 자기장의 방향으로 자기화된다.

예) 철, 코발트, 니켈

 

강자성의 특징 정리

1. 외부 자기장의 방향으로 자기화된다.

2. 외부 자기장을 제거해도 자화된 상태를 유지한다.

 

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- 상자성 -

강자성이랑 거의 똑같은데 차이점은

외부 자기장을 제거하면 자성이 사라진다.

즉 자화된 상태를 유지하지 못한다.

만약 철 클립이 아니라 알루미늄 클립이었으면

일단 자석을 갖다대면 달라붙긴 하는데

자석에서 뗀 클립을 다른 클립에 갖다대도 달라붙지 않는다는것

예) 알루미늄, 산소, 백금

 

상자성의 특징 정리

1. 외부 자기장의 방향으로 약하게 자기화된다.

열운동에 의해 원자 자석의 정렬이 방해를 받았기 때문이다.

2. 외부 자기장을 제거하면 자성이 사라진다.

 

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- 반자성 -

얘는 외부 자기장이 가해지면

오히려 반대 방향으로 원자 자석들이 정렬된다.

자석을 갖다 댔는데 오히려 자석을 밀어낸다고 보면 된다.

얘도 외부 자기장을 제거하면 자성이 사라진다.

예) 물, 구리, 유리, 나무

 

반자성의 특징 정리

1. 외부 자기장의 반대방향으로 자기화된다.

2. 외부 자기장을 제거하면 자성이 사라진다.

 

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강자성, 상자성, 반자성의 공통점

외부 자기장을 가하기 전에는 자성을 띠지 않는다.

 

강자성, 상자성의 공통점

외부 자기장의 방향으로 원자 자석이 배열된다.

 

상자성, 반자성의 공통점

외부 자기장이 사라지면 자성이 사라진다.

 

강자성체 만의 특징

외부 자기장을 제거해도 자화된 상태를 유지한다.

단, 영구적인건 아니다.

이런걸 이용해 강자성체는 정보 저장 매체로 쓰인다.

예) 자기 테이프, 하드디스크, 마그네틱 카드 등

아니면 솔레노이드 안에 강자성체인 철심을 넣은다음

솔레노이드에 전류를 흘려줘서 자기장을 만들면

그 철심이 자기화되어 강한 자석이 된다.

 

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- 마이스너 효과 -

초전도체에서 일어나는 현상인데,

초전도체가 뭐냐면

저항이 0이고 반자성을 띠는 물질이다.

물체의 초전도 상태는 어떻게 만드는거냐면

온도를 아주 낮게 내린다.

그러다가 임계온도 보다 낮아지면 초전도체가 된다.

사실 이 부분은 고등물리 수준에서 설명할수 없어서

대충 이정도로만 알고있으면 된다.

외부에 자기장을 걸어주면

초전도체는 반자성의 효과로

외부 자기장과 반대방향의 자기장이 형성되어

자석을 '강하게' 밀어낸다.

즉 공중에 떠 있을 수 있다.

자기 부상 열차에 이용된다.

 

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- 예제 -

 

1 )

2021학년도 9월 모평 1번

 

A)

강자성체는 외부 자기장을 제거해도

자기화된 상태를 유지한다는 성질을 이용해서

정보 저장 수단인 하드디스크에 이용된다.

따라서 A(o)

 

B)

 상자성체는 외부 자기장을 제거하면 자성이 사라진다.

따라서 B(x)

 

C)

반자성체는 외부 자기장과 반대방향으로 자화된다.

따라서 C(o)

 

따라서 답은 3번

 

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2 )

2021학년도 6월 모평 12번

 

ㄱ)

자석에 붙여놓았던 클립들이 서로 달라붙지 않았다.

즉 자성이 사라졌다.

따라서 강자성체가 아니라 상자성체이다.

따라서 ㄱ(x)

 

ㄴ)

자석에 붙여놓았던 클립들이 서로 달라붙었다.

즉 자성이 유지되었다.

따라서 강자성체이다.

따라서 ㄴ(x)

 

ㄷ)

자성을 가지고 있다 = 자기화 되어 있다

따라서 ㄷ(o)

 

따라서 답은 2번

 

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3 )

2015학년도 6월 모평 5번

 

일단 둘다 반자성체는 아니므로

외부 자기장과 같은 방향으로 자기화된다.

그림을 그려서 한번에 풀겠다.

ㄱ)

상자성 막대의 오른쪽 끝은 N극

강자성 막대의 왼쪽 끝은 S극으로 자기화되었다.

따라서 두 막대 사이엔 인력이 작용한다. ㄱ(o)

 

ㄴ)

그림과 같이

a점에서 자기장의 방향은 오른쪽 방향이다. ㄴ(x)

 

ㄷ)

S를 열어 전류가 흐르지 않게하면

강자성 막대는 그대로 자화돼있을거고

상자성 막대는 자성이 사라질것이다.

근데 이때 자성이 유지돼있는 강자성 막대가

저 그림과 같이 자기장을 만들것이므로

상자성 막대는 똑같이 왼쪽 S 오른쪽 N극으로 자기화될것이고

따라서 인력이 작용한다.

따라서 ㄷ(x)

 

따라서 답은 1번

 

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4 )

2019학년도 6월 모평 10번

 

ㄱ)

A는 초전도체이고

온도 T0_에서 갑자기 저항이 0이된걸 보니

T0_은 임계온도이고

초전도체는 자석을 강하게 밀어내어

공중에 떠있다는 특징이 있다.

근데 온도 T인 A를 자석 위의 공중에 가만히 놓았더니

그대로 공중에 뜬 상태를 유지했다고 했다.

강한 척력이 작용한것이다.

따라서 A는 초전도체이고 T는 임계온도 이하이다.

따라서 T ≤ T0_이다. ㄱ(x)

 

ㄴ)

초전도체가 반자성의 효과로

자석을 강하게 밀어내는게 마이스너 효과라 했다.

따라서 ㄴ(o)

 

ㄷ)

A는 초전도체이고

(나)에서 자석과 척력이 작용한걸 보아 반자성체이다.

따라서 외부 자기장과 반대 방향으로 자기장이 형성된다.

따라서 ㄷ(x)

 

따라서 답은 2번

 

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5 )

2021학년도 수능 3번

 

ㄱ)

(가)에서 전류가 흐르는 전자석이 철못에 외부 자기장을 가했고

철못이 그것에 의해 달라붙었으니

철못은 강자성체 이거나 상자성체 이다.

근데 (나)에서 전자석에서 철못을 떼어냈는데도 자성을 유지했기 때문에

클립이 달라붙은것이다.

따라서 철못은 강자성체이다. ㄱ(o)

 

ㄴ)

이것도 그림으로 한방에 끝내겠다.

따라서 ㄴ(x)

 

ㄷ)

클립이 달라붙었다는건

클립에 외부 자기장이 가해져서 자기화되었다는 것이다.

따라서 ㄷ(o)

 

따라서 답은 3번