자성의 근원과 자석 재료의 응용 분야

자기는 오랫동안 사람들을 매료시켜 왔습니다.

3,000여 년 전, 중국인들은 자연에서 서로를 끌어당기는 천연 자석을 발견했습니다. 사람들은 풍부한 상상력을 발휘하여 이 현상을 어머니가 아이를 사랑으로 보살피는 것과 비교했습니다.

이것은 "루시춘추 - 지추지"에 기록되어 있습니다: "착한 돌은 철을 부르고 철은 끌린다."

중국의 4대 고대 발명품 중 하나인 나침반은 고대 중국인들이 자기를 어떻게 활용했는지를 보여주는 예입니다.

아시다시피 자성을 띤 돌은 실제로 철광석(보통 마그네타이트 Fe3O4)입니다. 또한 철은 자석에 이끌려 자화할 수 있다는 것도 알고 있습니다.

그렇다면 왜 자성을 가지거나 자화되는 것일까요?

자기는 어떻게 생성되나요?

물질에서 자기의 거시적 특성을 설명하려면 원자부터 시작하여 자기의 기원을 조사해야 합니다.

1. 자기의 기원

"구조가 특성을 결정한다". 물론 자성은 물질 원자의 내부 구조에 의해서도 결정됩니다.

원자 구조와 자기의 관계는 다음과 같이 요약할 수 있습니다:

(1) 원자의 자기적 특성은 전자의 스핀과 궤도 운동에서 비롯됩니다.

(2) 원자 내부에 채워지지 않은 전자가 존재하는 것은 물질이 자성을 갖기 위한 필수 조건입니다.

(3) 전자 간의 '교환 상호 작용'은 원자가 자성을 갖는 근본적인 이유입니다.

1. 전자 자기 모멘트 생성

원자 자기는 자성 물질의 기본이며, 원자 자기는 전자 자기 모멘트에서 비롯됩니다.

전자의 움직임은 전자 자기 모멘트의 원천입니다. 전자는 원자핵을 중심으로 회전 운동과 고유한 스핀 운동을 모두 가지고 있습니다.

따라서 전자 자기 모멘트는 궤도 자기 모멘트와 스핀 자기 모멘트의 두 부분으로 구성됩니다.

보어의 원자 궤도 이론에 따르면 원자 내부의 전자는 일정한 궤도를 따라 원자핵 주위를 이동합니다.

궤도를 따라 전자가 움직이는 것은 원형 전류에 해당하며, 이에 따라 궤도 자기 모멘트가 생성됩니다.

원자의 전자 궤도 자기 모멘트 평면은 여러 방향을 취할 수 있지만 방향성 자기장에서는 전자 궤도의 방향이 몇 가지 고정된 방향, 즉 궤도의 방향이 양자화될 수 있습니다.

자기의 기원은 전자 스핀 자기 모멘트라고 하는 전자 전하의 스핀에서 비롯됩니다.

외부 자기장의 작용 하에서 스핀 자기 모멘트는 궤도 자기 모멘트와 평행하거나 반평행할 수 있습니다.

많은 자성 물질에서 전자 스핀 자기 모멘트는 전자 궤도 자기 모멘트보다 큽니다.

이는 결정에서 전자의 궤도 자기 모멘트의 방향이 결정 격자장에 의해 수정되어 물질 외부로 돌출되는 복합 자기 모멘트를 형성할 수 없기 때문에 일반적으로 궤도 각운동량과 궤도 자기 모멘트의 "담금질" 또는 "동결"이라고 하는 현상이 발생하기 때문입니다.

따라서 많은 고체 물질의 자성은 주로 전자 궤도 자기 모멘트에서 발생하는 것이 아니라 전자 스핀 자기 모멘트에서 발생합니다.

물론 핵 스핀 자기 모멘트도 존재하지만 일반적으로 전자 스핀 자기 모멘트보다 훨씬 작기 때문에 무시해도 됩니다(3배 정도).

2. 원자 자기 모멘트

원자에서는 파울리 배제의 원리로 인해 두 개의 전자가 같은 상태에 있을 수 없습니다.

궤도에는 최대 두 개의 전자만 수용될 수 있으므로 궤도가 전자로 가득 차면 전자는 서로 반대 스핀을 가져야 하므로 스핀 자기 모멘트가 상쇄됩니다.

원자가 외부에서 자기 모멘트를 형성하려면 채워지지 않은 전자 궤도가 있어야 합니다.

물론 예시에서 볼 수 있듯이 이것은 필요 조건일 뿐입니다. Cu, Cr, V 및 많은 란탄화물과 같은 금속은 채워지지 않은 전자 궤도를 가지고 있지만 자성(특히 강자성)을 나타내지 않습니다.

3. 자성의 분류

전자의 교환 상호작용에 대해 논의하기 전에 먼저 물질 자성의 거시적 현상에 대해 살펴봅시다.

원자 자기 모멘트의 작용을 중첩하여 거시적 수준에서 나타나는 다양한 자기 특성에 따라 자성 물질은 반자성, 상자성, 강자성, 반강자성, 강자성 등으로 분류할 수 있습니다.

(1) 반자성

반자성은 자기장이 없을 때 전자 껍질이 완전히 채워진 원자의 자기 모멘트가 0이거나 일부 분자의 총 자기 모멘트가 0이 되어 거시적 자성을 나타내지 않는다는 사실을 말합니다.

그러나 자기장의 작용 하에서 전자의 궤도 운동은 추가적인 운동을 일으켜 외부 자기장의 방향과 반대되는 유도 자기 모멘트를 발생시키지만 그 값은 매우 작습니다.

이 현상을 반자성이라고 합니다.

일반적인 반자성 물질에는 Na+, K+, Ca2+, F-, Cl 등이 있습니다.

(2) 상자성

상자성이란 원자가 완전히 상쇄되지 않는 자기 모멘트를 가지고 있어 총 자기 모멘트를 갖는다는 사실을 말합니다.

그러나 원자 자기 모멘트의 방향이 혼란스럽기 때문에 외부 효과가 서로 상쇄되어 거시적 자성을 나타내지 않습니다.

그러나 외부 자기장의 작용 하에서 각 원자 자기 모멘트는 자기장의 방향과 더 자주 정렬되고 거시적 수준에서 약한 자성으로 나타날 수있는 자기장 방향과 덜 자주 정렬됩니다. 실제로 물질은 이러한 방식으로 자화됩니다.

실험 결과 온도가 높을수록 상자성 물질의 자화도가 낮아지는 것으로 나타났습니다. 이는 열 운동이 원자 자기 모멘트의 규칙적인 방향을 파괴하기 때문입니다.

온도가 높을수록 원자의 열 에너지가 커져 원자 자기 모멘트가 외부 자기장과 정렬하기 어렵고 따라서 자화가 더 낮아집니다.

(3) 강자성

강자성은 인접한 원자들이 상호 작용으로 인해 외부 자기장의 방향을 향해 질서정연하게 정렬되는 현상을 말합니다.

일반적으로 강자성 물질은 약한 자기장에서도 높은 자화를 달성할 수 있으며, 외부 자기장이 제거된 후에도 여전히 강한 자성을 유지할 수 있습니다.

강자성 물질이 약한 자기장에서도 포화 상태로 자화될 수 있는 이유는 무엇일까요?

이는 이러한 물질의 내부 원자 자기 모멘트가 외부 자기장의 작용 없이도 이미 어느 정도 특정 방향으로 정렬되어 있기 때문이며, 이를 일반적으로 자발 자화라고 합니다.

이 자발적 자화는 작은 영역으로 나뉘며, 각 영역 내에서 원자 자기 모멘트는 서로 평행합니다. 이러한 작은 영역을 자기 영역이라고 합니다.

재료 내부의 다양한 자성 영역의 자발적 자화 방향은 서로 다르며 외부에서 서로의 영향을 상쇄하므로 전체 재료가 거시적 자성을 나타내지 않습니다.

즉, 강자성 물질은 불규칙하게 배열된 작은 '자석'으로 구성되어 있으며 통계적 규칙에 따라 외부에서 자성을 나타내지 않습니다.

그러나 외부의 힘(외부 자기장)이 각 '작은 자석'의 극성을 같은 방향으로 정렬하면 외부에서 강한 자성을 나타냅니다.

강자성 물질 내부의 자성 영역이 자발적으로 자화되는 것이 강자성의 중요한 이유입니다.

이는 '전자 껍질이 채워지지 않은 원자'가 물질의 자성을 위한 필수 조건일 뿐인 이유를 설명합니다.

엄밀한 의미에서 우리가 일반적으로 자성이라고 부르는 것은 사실 강자성이라고 해야 합니다.

따라서 Mn과 Cr과 같은 원소는 원자 자기 모멘트를 가지고 있지만 내부적으로 자성(강자성)을 가지고 있지 않습니다.

(4) 반자성

반자성은 자기장의 작용으로 스핀이 같은 인접 원자나 이온이 서로 반대 방향으로 배열되어 자기 모멘트가 서로 상쇄되어 상자성 물질과 비슷해지면서 자성을 나타내지 않는 현상을 말합니다.

(5) 페리자성

페리자성은 본질적으로 두 격자의 역자기 모멘트가 완전히 상쇄되지 않는 반자성입니다.

강자성은 강한 자성을 나타낸다는 점에서 강자성과 유사하지만, 자성이 서로 반대 방향의 불균등한 두 자기 모멘트 사이의 차이에서 발생한다는 점에서 강자성과 다릅니다.

현재 연구되고 있는 많은 페라이트(철과 하나 이상의 금속으로 구성된 복합 산화물)는 강자성 물질에 속합니다.

강자성과 반자성은 밀접한 관련이 있습니다. 알려진 반자성 구조에서 시작하여 원소 치환을 통해 원래의 자기 구조는 유지하되 자기 모멘트가 같지 않은 두 개의 격자를 가진 강자성 물질로 재구성할 수 있습니다.

강자성 재료와 강상자성 재료를 통칭하여 강자성 재료라고 하며, 자성 재료의 주요 개발 방향을 나타냅니다.

4. 교환

상호작용 다음으로, 전자의 교환 상호작용이 전자의 스핀 자기 모멘트에 영향을 미쳐 물질의 거시적 자성에 어떤 영향을 미치는지 살펴봅시다.

원자 간의 교환 상호작용은 일반적으로 인접한 원자에서 전자의 위치가 상호 교환되어 발생하는 정전기적 상호작용을 말합니다.

구체적으로 두 원자가 서로 가까이 있을 때, 전자는 구별할 수 없기 때문에 전자 1이 핵 1 주위를, 전자 2가 핵 2 주위를 이동하는 것을 고려하는 것 외에도 두 전자의 위치를 교환하여 전자 1이 핵 2 주위를, 전자 2가 핵 1 주위를 이동하는 것처럼 보일 가능성도 고려해야 합니다.

예를 들어 수소 원자에서는 이러한 종류의 전자 교환이 초당 약 1018번의 빈도로 발생합니다. 이러한 교환 상호 작용으로 인한 에너지 변화를 교환 에너지라고 하며, Eex로 표시됩니다.

일반적으로 원자 결합의 에너지는 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

E=E0+E'=E₀+(C+A)

여기서 E₀ 는 접지 상태의 각 원자의 총 에너지입니다;

C는 원자핵과 전자 사이의 정전기 쿨롱 상호작용으로 인한 에너지 증가량입니다;

A는 전자의 교환으로 인한 에너지 증가량으로, 일반적으로 교환 에너지 상수라고 합니다.

A는 이웃 원자의 부분적으로 채워진 전자 껍질의 근접 정도에 따라 달라지며, 교환 상호 작용의 크기를 측정하는 에너지입니다.

실험적 증거에 따르면 수소 분자에서 두 전자의 교환 상호 작용으로 인한 에너지 변화(즉, 교환 에너지 Eex)는 대략 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

E_ex =ΔE=-2AS_aS_bcosφ

여기서 S_a 및 S_b 는 두 전자의 스핀 양자 수를 나타냅니다. φ는 두 전자의 스핀 자기 모멘트 방향 사이의 각도이며, 가능한 변화 범위는 0°~180°입니다.

위의 방정식은 전자가 하나만 있는 수소 원자 간의 교환 상호 작용에서 얻은 것이지만, 다중 전자 원자의 교환 상호 작용에 대한 정성적 분석에 일반적으로 중요한 의미를 갖습니다. 추가 분석을 통해 다음과 같은 사실이 밝혀졌습니다:

(1) A>0일 때, φ=180°, cosφ=-1, 두 전자의 스핀 자기 모멘트의 방향이 반대, 즉 전자의 스핀 자기 모멘트가 반평행하게 배열되어 있음을 나타내는 경우, E_ex(180)=+2AS_aS_bφ=0°인 경우, 두 전자의 스핀 자기 모멘트의 방향이 같고 전자의 스핀 자기 모멘트가 평행하게 배열되어 있음을 나타내며, E_ex(0)=-2AS_aS_b.

또한 0°<φ<180°이면 두 전자의 스핀 방향이 같지도 않고 반대도 아닌 각도 φ만큼 떨어져 있으며, 이들의 교환 에너지 E_ex 는 둘 사이에 위치하며, 즉 E_ex(0°)<E_ex<E_ex(180°). 에너지 최소화가 가장 안정적인 상태라는 기본 법칙에 따르면 φ=0°일 때만 시스템의 에너지가 최소화되며, 이 시점에서 시스템이 가장 안정적인 상태에 있다는 것을 알 수 있습니다.

두 전자의 인접한 스핀 자기 모멘트의 방향이 같으면 전자 스핀 자기 모멘트는 반드시 평행하게 배열되어 자발적인 자화가 일어나고 물질에 강자성이 존재하게 됩니다.

(2) A < 0일 때, φ = 180°일 때만 전체 시스템의 에너지가 최소화되는데, 이는 전자 스핀의 방향이 반평행으로 배열되어 반자성이라는 것을 의미합니다.

(3) |A|가 매우 작을 때, 이 두 인접 원자 사이의 교환 상호작용은 약하고, 교환 에너지 E_ex 는 매우 작습니다. φ가 약 90o일 때는 에너지가 낮기 때문에 자기 모멘트의 방향이 혼란스럽고 재료는 상자성입니다.

요약하면, 물질 자성의 특정 특성은 A, 즉 이웃 원자의 채워지지 않은 전자 껍질이 서로 가까이 있는 정도에 따라 달라집니다.

따라서 물질의 자성은 원자의 전자 분포와 물질의 결정 구조에 의해 결정됩니다.

자성의 특성으로 인해 자성 소재는 첨단 산업 발전에 중요한 역할을 하며, 과학 기술 발전의 중요한 축을 담당하고 있습니다. 또한 현대 기술 분야에서 매우 활발하게 연구되고 있는 분야이기도 합니다.

오늘날 정보화 사회에서 자성 재료의 중요한 역할을 고려할 때, 자성 재료는 한 국가의 기술 발전 수준을 반영할 수 있으며 이러한 유형의 재료에 대한 수요는 한 국가의 경제 및 평균 생활 수준을 측정하는 데 사용될 수 있습니다.

다음으로 일상 생활에서 흔히 볼 수 있는 자성 물질에 대해 간략하게 설명하겠습니다.

2. 일반적인 자성 재료의 응용

'자성 재료'라는 용어는 주로 강자성 재료와 강자성 재료를 의미합니다.

자성 분포에 따라 경자성(영구) 자성 재료, 반경자성 재료, 연자성 재료로 나눌 수 있습니다.

(1) 소프트 마그네틱

재료 연자성 재료는 교류에 의해 쉽게 자화 및 자성을 잃는 재료를 말하며, 일반적으로 강자성 특성을 가집니다.

여기에는 몇 가지 특별한 속성이 있습니다:

 (1) 외부 자기장 자화를 통해 높은 최대 자기 유도 강도를 가질 수 있습니다;

 (2) 특정 강도의 외부 자기장의 자화 하에서 연자성 물질 자체는 더 높은 자기 유도 강도를 가질 수 있습니다;

 (3) 연자성 물질의 자기 영역 이동에 대한 저항이 작습니다.

이러한 특성으로 인해 연자성 소재는 통신, 방송, 텔레비전, 계측 및 현대 전자 기술 분야에서 널리 사용됩니다. 일반적으로 발전기 및 배전 변압기의 코어로 사용됩니다.

이러한 분야에서 자성 재료는 외부 자기장 변화에 대한 높은 감도가 요구됩니다.

자화하기 어렵거나 자화 후 자성이 쉽게 방출되지 않는 소재는 이러한 용도의 요구 사항을 충족할 수 없습니다. 부드러운 강자성 소재는 이러한 목적에 이상적입니다.

따라서 연 강자성 재료는 가장 먼저 개발되고, 가장 다양하며, 수율이 높고, 가장 널리 사용되는 자성 재료 중 하나입니다.

(2) 경자성 재료

영구 자석이라고도 하는 경자성 물질은 자화된 후에도 강한 자성을 유지할 수 있으며 전기 에너지를 소비하지 않고도 주어진 공간에 일정한 자기장을 오랫동안 제공할 수 있습니다.

일반적으로 강자성 물질입니다. 경자성 재료는 전기 모터, 발전기, 스피커, 베어링, 패스너 및 전송 장치에 널리 사용됩니다.

경질 자성 재료의 영구 자성은 바로 이러한 분야에 필요한 것입니다.

예를 들어 전기 모터와 발전기는 일정한 자기장을 가진 자석이 있어야 작동할 수 있으며, 영구 자석은 자기 특성을 유지하기 위해 전기 에너지를 소비하지 않기 때문에 이상적입니다.

그러나 경질 자성 소재는 변동성이 낮고 안정성이 높지만 사용 범위가 제한되어 있습니다.

(3) 반경질 자성 재료

반경자성 재료는 연자성 재료와 경자성 재료의 중간 정도의 특성을 가지고 있습니다.

경자성 물질과 유사하게 일정 값보다 작은 외부 자기장에서는 잔류 자기 유도 강도가 안정적이지만, 연자성 물질과 유사하게 일정 임계값 이상의 역자기장에서는 자화 방향이 바뀌는 경향을 보이는 것이 특징입니다.

따라서 반경질 자성 재료는 동적 재료로 사용되며, 지능화 사회로 갈수록 동적 재료에 대한 수요가 증가하여 반경질 자성 재료가 유망한 개발 분야로 떠오르고 있습니다.

애플리케이션에는 릴레이, 반고정형 저장 장치, 알람 장치 등이 포함됩니다.

자기 기록 매체는 하드 디스크, 자기 테이프, 신용카드와 같은 정보 저장 장치에 널리 사용되는 반경질 자성 물질의 중요한 유형입니다.

반경질 자성 재료는 동적 특성으로 인해 이러한 애플리케이션에서 중요한 역할을 합니다.

하드 디스크 드라이브를 예로 들면, 디스크 부분에는 주로 반경질 자성 소재가 사용됩니다.

디스크가 회전할 때 헤드가 한 위치에 있으면 각 헤드가 디스크 표면에 원형 트랙을 만듭니다.

이러한 원형 트랙을 트랙이라고 하며, 기본적으로 간극이 있는 자기 회로입니다.

쓰기 과정에서 컴퓨터는 정보를 전류로 변환하여 머리 주위의 코일로 보냅니다.

코일의 전류가 헤드를 자화시키고, 자화된 헤드에서 생성된 자기장이 트랙의 매체를 자화시킵니다.

전류 크기가 다르기 때문에 헤드의 자기장이 변하고, 이에 따라 자성 매체의 자화도 변하여 다른 데이터가 기록됩니다.

 헤드와 디스크가 움직이면서 많은 양의 정보가 디스크에 기록됩니다.

읽기 프로세스는 쓰기 프로세스와 반대 방향으로 진행되며, 자기 매체의 자기장을 사용하여 헤드의 자속 변화를 일으켜 코일에 다양한 전류를 생성하여 컴퓨터에서 사용할 수 있는 전기 신호로 사용됩니다.

자성 소재는 우리 일상에서 중요한 역할을 하고 있으며 그 중요성은 자명합니다. 자성에 대한 이해가 깊어지고 자성 소재 기술이 발전하면 우리 생활에서 자성이 더욱 폭넓게 활용될 것으로 믿습니다.

위의 분석은 비교적 일반적이고 간단합니다.

자성 재료의 자성 특성을 제어하는 방법과 더 깊은 원리를 이해하는 것이 앞으로 우리가 계속 발전해야 할 방향이 될 것입니다.