강자성체의 성질과 영구자석

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1 출제 포인트 — 이렇게 나옵니다

38회 시험 중에서 17번 나왔습니다

2010~2022년 기출 38회 시험 기준

출제 회차 2010년 1차 · 2010년 2차 · 2010년 3차 · 2011년 2차 · 2011년 3차 · 2012년 1차 · 2012년 2차 · 2012년 3차 · 2013년 2차 · 2014년 2차 · 2015년 2차 · 2017년 3차 · 2019년 3차 · 2020년 2차 · 2020년 3차 · 2021년 1차 · 2022년 2차

2 쉬운 설명

강자성체는 철·니켈·코발트처럼 자석에 강하게 끌리고 크게 자화되는 물질로, 안에 자기 방향이 같은 작은 영역인 자구(磁區)를 가진다. 외부 자계가 없을 때는 자구의 방향이 제각각이라 서로 상쇄되어 밖으로 자성이 드러나지 않고, 자계를 걸면 자구가 같은 방향으로 정렬되어 강하게 자화된다. 상자성체와 역자성체(반자성체)는 이런 자구가 없어 자화가 매우 약하다.

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외부 자계가 일정한 크기를 넘는 순간 자구가 급격히 회전해 자계 방향으로 배열되고 자속밀도가 증가하는 현상을 바크하우젠 효과라 한다. 자화가 매끄럽게 늘지 않고 한꺼번에 일어나므로, $B$ - $H$ 곡선을 자세히 보면 매끈하지 않고 계단 모양으로 늘거나 준다. 자구와 자구 사이의 경계를 자벽이라 하는데, 자벽이 군데군데 걸렸다가 갑자기 튀어 넘어가는 순간마다 자속밀도가 한 번에 조금씩 뛰어올라 계단이 된다고도 설명한다.

강자성체의 세 가지 특성은 고투자율·히스테리시스·포화(자기포화)이다. 작은 자계에도 크게 자화되어 투자율이 매우 크고(고투자율), 자계를 줄이거나 반대로 가할 때 자화가 같은 길로 되돌아오지 않고 뒤처지며(히스테리시스), 자계를 아무리 세게 해도 자화가 더는 늘지 않는 상태가 있다(포화). 와전류는 변하는 자속이 도체 속에 만드는 맴돌이 전류로, 자화에 관한 성질이 아니라 전자유도로 생기는 현상이어서 이 세 가지에 들지 않는다.

물질의 자화 현상은 원자 속 전자의 자전(스핀)이 만드는 작은 자석(자기모멘트)이 자계 속에서 한 방향으로 늘어서서 일어난다. 전자의 공전, 전자의 이동, 분자의 운동은 자화의 원인으로 꼽지 않는다. 얼마나 많이 정렬했는지를 나타내는 자화의 세기 $J$ 는 단위 부피당 자기모멘트로 정의하며 $J=\frac{M}{V}$ 로 쓰고( $M$ 은 자기모멘트, $V$ 는 부피), 단위는 $\mathrm{Wb/m^{2}}$ 이다. 자속밀도는 $B=\mu_{0}H+J$ 이며( $\mu_{0}$ 는 진공의 투자율, $H$ 는 자계의 세기), 강자성체는 $J$ 가 $\mu_{0}H$ 보다 아주 커서 $B$ 와 $J$ 가 거의 비슷하지만 $\mu_{0}H$ 가 양수이므로 $J$ 는 $B$ 보다 조금 작다.

영구자석은 한번 자화되면 자기를 오래 간직하는 자석이며 강자성체로 만든다. 히스테리시스 곡선(가로축 $H$ , 세로축 $B$ )에서, 자계를 0 으로 되돌려도 남는 자속밀도가 잔류자기(잔류 자속밀도 $B_{r}$ )이고 곡선이 세로축을 자르는 높이로 읽는다. 남은 자기를 0 으로 만들려고 반대 방향으로 걸어야 하는 자계의 세기가 보자력 $H_{c}$ 이고 가로축을 자르는 폭으로 읽는다. 영구자석은 남는 자기도 커야 하고 쉽게 지워지지도 않아야 하므로 두 값이 모두 커서 곡선이 높고 넓은 재료를 쓴다. 또 자석 재료를 끊어진 데 없는 고리(폐회로)로 만들면 N극과 S극이 생기지 않아 바깥으로 자계가 나오지 못하므로, 자기 통로 한 곳에 틈(공극)을 두어 그 틈으로 자속이 나오게 해야 한다.

교류로 자화 방향이 계속 번갈아 바뀌는 변압기·전동기의 철심(자심재료)은 요구가 영구자석과 반대이다. 히스테리시스 곡선이 둘러싼 면적은 자화가 한 번 되풀이될 때마다 열로 사라지는 에너지, 곧 히스테리시스손이므로 면적이 작을수록 손실이 적다. 규소강판 같은 자심재료는 곡선의 면적이 작은 것이 좋고, 보자력이 작고 투자율이 큰 재료가 철심에 알맞다. 반대로 보자력과 잔류자기가 큰 재료는 한번 자화되면 오래 남으므로 영구자석에 알맞다.

3 이 개념이 나온 기출문제

해설·법령 근거까지 가입 없이 보실 수 있습니다. 최신 5개년 문항은 여기 나오지 않습니다.

4 체크리스트 + 암기팁

암기팁 자구가 홱 돌아 자속밀도가 계단식으로 튄다 → 바크하우젠 효과.

암기팁 영구자석 = 잔류자기 큰 것 + 보자력 큰 것. 철심은 곡선의 면적이 작은 것. 강자성체 3특성 = 고투자율 · 히스테리시스 · 포화(와전류는 아니다).

함정 주의 「폐회로를 만들면 강한 영구자석」은 틀린 설명이다. 영구자석은 한 곳에 틈(공극)이 있어야 자속이 바깥으로 나온다.

영구자석 재료는 잔류자기(잔류 자속밀도)와 보자력이 모두 큰 것이다. 한쪽만 크거나(잔류자기 크고 보자력 작음, 잔류자기 작고 보자력 큼) 모두 작은 보기는 전부 틀리다.
「영구자석으로 옳지 않은 것」은 "자석 재료로 폐회로를 만들면 강한 영구자석이 된다"이다. 폐회로는 극이 생기지 않아 바깥 자계가 없다. 보자력·잔류 자속밀도가 클수록 강하다는 보기는 옳다.
규소강판 같은 자심재료는 히스테리시스 곡선의 면적이 작은 것이 좋다(면적 = 한 주기마다 열로 사라지는 히스테리시스손). 보자력과 잔류자기가 큰 재료는 영구자석 쪽이다.

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자구가 일정 자계를 넘는 순간 급격히 회전해 자속밀도가 계단식으로 증가하는 현상은 바크하우젠 효과이다. 자기여효는 자장을 걸었다 뗀 뒤에도 자화가 서서히 남았다 사라지는 시간 지연 현상, 자기왜현상(자왜현상)은 자화될 때 길이·치수가 변하는 현상, 핀치효과는 전류가 흐르는 도체가 스스로 조여드는 현상이고, 퀴리점은 강자성체가 자성을 잃고 상자성체로 바뀌는 온도이다.
강자성체의 세 가지 특성은 고투자율·히스테리시스·포화(자기포화)이고, 와전류 특성은 여기에 들지 않는다. 자구를 가지는 자성체는 강자성체이다.
자화의 세기는 단위체적당 자기모멘트 $J=\frac{M}{V}$ (단위 $\mathrm{Wb/m^{2}}$ )이다. 자위는 자기적 높이(퍼텐셜)이므로 「단위면적당 자위밀도」가 아니고, 자력선 밀도는 자계의 세기를 나타내는 말이며, 「자화선 밀도」는 자화의 세기를 정의하는 말로 쓰이지 않는다. 강자성체에서 $J$ 는 $B$ 보다 약간 작다.

5 예제 — 이 개념, 실제로 이렇게 나왔습니다

2010년 3차 전기자기학 8번 — 자구 회전으로 자속밀도 증가한 현상자성체 내에서 임의의 방향으로 배열되었던 자구가 외부 자장의 힘이 일정치 이상이 되면 순간적으로 회전하여 자장의 방향으로 배열되기 때문에 자속 밀도가 증가하는 현상은?옳은 것 고르기해설 보기 →2013년 2차 전기자기학 11번 — 자화의 세기의 정의자화의 세기로 정의 할 수 있는 것은?옳은 것 고르기해설 보기 →2020년 3차 전기자기학 3번 — 영구자석 재료의 적합한 특성영구자석 재료로 사용하기에 적합한 특성은?옳은 것 고르기해설 보기 →

6 이론 근거 — 정의가 곧 정답입니다항목 20개 · 눌러서 펼치기눌러서 닫기

히스테리시스 특성

영구자석 재료는 히스테리시스 곡선에서 잔류자기와 보자력이 모두 크다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 2문항이 인용

강자성체와 자구

강자성체는 자구라는 자발 자화 영역을 가지며 외부 자계에 따라 자구가 정렬해 강하게 자화된다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

강자성체의 자구 이론과 바크하우젠 효과 — 바크하우젠

강자성체의 자화는 자구 경계(자벽)의 불연속적 이동으로 일어나며, 이로 인해 B-H 곡선이 미세한 계단 모양을 보인다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

강자성체의 자구와 바크하우젠 효과

외부 자계가 일정 값을 넘으면 자구가 급격히 회전해 자화가 진행된다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

강자성체의 자기 특성

강자성체는 고투자율 · 자기포화 · 히스테리시스 특성을 가진다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

강자성체의 특성

강자성체는 투자율이 매우 크고(고투자율), 히스테리시스 곡선을 그리며, 자화가 포화되는 성질을 가진다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

물질의 자기적 분류(강자성·상자성·반자성)

Ni·Co는 강자성체, Pt는 상자성체, Ag는 반자성체로 분류된다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

영구자석의 자화 특성(히스테리시스)

좋은 영구자석은 잔류 자속밀도와 보자력이 모두 커야 하며, 공극 없는 폐회로 구조는 감자작용을 키워 자기 유지에 불리하다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

영구자석의 조건

보자력

H_{c}

와 잔류자속밀도

B_{r}

이 클수록 강한 영구자석이 되고, 닫힌 고리 모양 재료는 극이 없어 바깥 자계가 없다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

자구 이론

강자성체의 자구가 외부 자계에서 급하게 방향을 바꾸어 B 가 불연속으로 변한다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

자구(磁區)와 바크하우젠 효과 — 바크하우젠

외부 자장이 임계값을 넘으면 자구가 불연속적으로 회전하여 자속밀도가 계단 모양으로 증가한다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

자성체의 감자력과 감자율

자성체 내부의 감자력은

H_{d}

=N·J(N: 감자율, J: 자화의 세기)로 나타나며, N과 J 모두에 비례한다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

자성체의 자화율 부호에 따른 분류

자화율(X)의 부호로 상자성체(X>0)·반자성체(X<0)·강자성체(X≫0)를 구분한다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

자화율

상자성체는

\chi>0

, 반자성체는

\chi<0

이다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

자화율과 비투자율의 관계

비투자율과 자화율은 μᵣ=1+χₘ의 관계를 가지며, χₘ<0(역자성체)이면 μᵣ<1이 된다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

자화의 세기

자성체 단위 부피당 자기모멘트로

J=\frac{M}{V}

이다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

자화의 세기와 자속밀도

자속밀도는

B=\mu_{0}H+J

이다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

자화의 원인

물질의 자화 현상은 원자 속 전자의 자전(스핀) 자기모멘트가 정렬되어 일어난다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

히스테리시스 곡선과 히스테리시스손

히스테리시스 곡선으로 둘러싸인 면적이 자화 한 주기마다 열로 잃는 에너지(히스테리시스손)이다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

히스테리시스손

히스테리시스 곡선이 둘러싼 면적은 한 주기마다 철심에서 열로 사라지는 에너지와 같다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 21문항 중 1문항이 인용

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