자성(물리학)
1. 개요
'''Magnetism · 磁性'''
물질이 가진 자기적 성질을 의미한다. 모든 물질이 가지고 있는 특성이며, 이것이 강한 물질은 자석의 재료가 된다.
2. 분류
어떤 물질이든 자기 쌍극자 모멘트를 가지고 있는데, 이들의 방향에 따라 자성을 나타내기도 하고 자성을 나타내지 않기도 한다. 즉, 자기 모멘트의 밀도인 자화율의 온도에 따른 변화를 측정하면 물질의 자성을 알아볼 수 있는 것이다.
고등학교 물리에서도 자성에 대해 다루는데, 다소 잘못된 설명을 하고 있다. 물리Ⅰ에서는 자성의 세기에 따라 강자성, 상자성, 반자성으로 구별한다. 하지만 강자성과 상자성은 얼음과 물처럼 본질은 같지만 나타나는 모습이 다른 것이므로 물리학적 관점에서는 껄끄럽게 보이는 것은 사실. 하지만 자성의 크기만큼 눈에 보이는 수치로 설명하는 것만큼 직관적인 것은 없으니 교과서적 허용으로 보는 게 적절해 보인다. 또한 교과서와 같은 겉보기 성질에 따른 분류는 유용하기 때문에 널리 쓰이고 있기도 하다.
2.1. 상자성(Paramagnetism)
일반적으로 자화율이 양수인 물질을 상자성체라고 부르며, 외부 자기장과 같은 방향으로 물질의 자기 모멘트가 정렬된다. 외부 자기장을 만든 무언가와는 인력이 작용하며, 외부 자기장이 없을땐 자석의 성질이 없다. 상자성을 보이는 물질로는 산소, 알루미늄, 세슘, 텅스텐 등이 있다.
상자성체는 특정 온도 아래로 내려가면 진정한 성질을 드러내게 된다. 일반적으로, 어떤 원자와 가장 가까운 원자와의 교환 상호 작용 상수가 양수라면 강자성체가 되며, 음수라면 반강자성체가 된다.
2.1.1. 초상자성(Superparamagnetism)
나노입자 등의 작은 자성체에서 보이는 성질로, 자기장을 걸지 않은 상태에서 자화방향이 아무렇게나 빠르게 변화하는 거동을 보인다. 그 속도가 매우 빠르기 때문에 일상적인 시간간격에서는 자성이 관찰되지 않기도 한다.
2.2. 강자성(Ferromagnetism)
한번 자화가 일어나면 외부 자기장이 사라져도 잔류자화가 남아있는 물질이다. 특정 온도보다 높은 온도에서는 평범한 상자성체처럼 보이지만, 특정 온도 이하에서는 강자성체가 되며, 이 온도를 발견자 피에르 퀴리의 이름을 따서 퀴리 온도(Curie Temperature)라고 한다.
스핀 양자수가 높을수록[1] 더 강한 자성을 가지는 강자성체가 된다. 이런 경향은 이온화가 되었을 때 홑전자를 가지고 있는 철, 니켈, 코발트 등을 포함하고 있는 결정에서 많이 나타난다.[2]
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외부에서 자장을 걸었을 때 나타나는 자화를 그래프로 나타낸 것이다. 이 이력곡선이 면적이 넓고 사각형에 가까운 자석은 경자석(Hard Magnet)이 되고 면적이 좁아서 거의 없게 되면 연자석(Soft Magnet)이 된다. 일반적으로 경자석은 영구자석으로 활용하며, 연자석은 전자석 내의 코어로 사용한다.
2.2.1. 반강자성(Antiferromagnetism)
외부 자기장이 사라졌을 때 거시적으로는 자성을 띄지 않지만, 미시적인 입자들은 정렬되어있는 형태로, 안티페로 자성은 이웃한 입자들이 서로 반평행하게 스핀방향이 정렬된다.
2.2.2. 페리자성(Ferrimagnetism)
자기 모멘트 배열은 반강자성과 유사하나, 결정학적인 이유로 인해 결정 내의 부격자 (Sublattice)들이 서로 동일하지 않은 자성체이다. 이 때문에 거시적으로 볼 때는 자성이 있는 것처럼 보인다.
페리자성을 띄는 대표적인 물질로는 페라이트가 있다.
2.3. 반자성(Diamagnetism)
외부 자기장의 반대방향으로 자화가 일어나는 자성체. 초전도체와 맥스웰 방정식의 패러데이/렌츠의 법칙에서 보듯 기본적으로 모든 물질이 가진 성질이지만, 일반적으로 다른 자성보다 매우 약하다.
하지만 초전도체는 마이스너 효과에 의해 예외적으로 강한 반자성을 나타낸다.
3. 자성의 근원
강자성과 상자성을 유발하는 요인은 크게 스핀과 원자 내 전자궤도인데 이중에서 스핀에 의한 것의 세기가 매우 크다. 이들이 갖는 자기 모멘트와 외부자기장과의 반응이 자성으로, 반응을 하며 무작위적으로 흐트러져서 서로를 상쇄하던 각 전자/원자들의 자기 모멘트들이 일정하게 정렬한다. 추가적으로 자석이라고도 부르는 강자성체는 외부자기장을 제거해도 이 정렬이 깨지지 않는 물질이며 자성을 가질 정도의 규칙적인 배열만 유지하면 상관없으므로 액체 자석도 있다.
이처럼 자성의 근원은 입자의 규칙적인 배열에서 생기므로, 자석을 가열하여 입자들의 운동에너지를 높여 이 배열이 흐트러지게 하면 자력을 잃게 된다. 일반적인 강자성체들은 일정 온도 이상이 되면 상전이를 일으켜 더 이상 강자성을 유지하지 못하게 되는데, 이 온도를 퀴리 온도라고 한다. 이는 이 현상의 발견자인 피에르 퀴리의 이름을 따서 붙여졌다.
여기에 대한 물리학적 분석은 이징 모형에서 다룬다.