11. 철심의 자기쌍극자와 자화특성곡선에 대해 알아보자.(1)

11. 철심의 자기쌍극자와 자화특성곡선에 대해 알아보자.(1)


철심은 '강자성체'이다.
자성체란 자기장 중에 위치할 때 '자화'하는 성질을 갖는 물질을 말한다.
자화란 자석이 아닌 물체가 자석의 성질을 가지게 되는 것을 말한다.
예를 들어 철을 자석에 문지르면 자석의 성질을 가지게 된다.

철심은 대표적인 '강자성체' 인데
강자성체란 영구 자석에 의해 자성을 가지게 되면 외부의 자기장이 없어져도 스스로 자성을 나타낼 수 있는 물질을 말한다.
이런 특징 때문에 철심은 전기 재료 중에서 아주 중요한 재료이다.
변압기, 발전기, 모터 등 각종 전력기기장치에 철심을 사용하므로 철심의 특성에 대해 아는 것은 중요하다.

철심의 자화특성곡선을 그려보고 그 특징을 확인해보자.

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1. 자성체와 자기쌍극자모멘트
2. 자화특성곡선 그려보기
3. 철심이 포화되면 어떤 일이 일어날까?

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1. 자성체와 자기쌍극자모멘트

물질을 아주 작게 쪼개보면 결국 물질은 원자로 이루어져 있다.

물질을 쪼개면 원자

자성체 역시 아주 작게 쪼개면 원자로 이루어져 있다.
자성체를 잘 이해하기 위해서는 자성체의 원자를 봐야 한다.



자성체의 원자 하나를 떼어왔다고 생각해보자.

자성체의 원자는 전자와 핵(중성자+양성자)로 이루어져있다.

원자는 핵(중성자+양성자)과 전자로 이루어져 있다.



원자를 보면 전자가 핵 주변을 공전(핵을 중심으로 회전)하기도 하고
전자 스스로 자전(자기 자신의 축을 중심으로 회전)하기도 한다.

원자의 전자는 공전과 자전을 한다.

여기서 눈여겨봐야 할 부분은 전자 스스로 자전한다는 사실이다. 이를 '전자스핀'이라고 부른다.
전자가 자전할 때의 전자 움직임이 곧 '전류'이다. (도체에서 자유전자가 움직이는 것만이 전류가 아니다.)
앞에서 확인해보았듯이 전류가 있으면 '무조건' 자기장이 존재한다. 자기장의 방향은 '암페어 오른나사 법칙'을 이용하면 쉽게 알 수 있다.


아래와 같이 시계 방향으로 전자가 자전하고 있다고 하면 전류의 방향은 반시계 방향이 된다.
(전류와 전자의 방향은 반대로 규정되어 있다.)

전자가 자전할때 전류가 발생한다.

여기에서 암페어 오른나사 법칙을 이용하면 자기장의 방향은 아래에서 위를 향한다.

전류가 반시계방향으로 흐를 때 암페어 오른나사 법칙으로 자기장의 방향이 위를 향함을 알 수 있다.

자석에서 자기장 방향은 N극에서 나와서 S극으로 들어간다.

자석의 자기장은 N극에서 나와서 S극으로 들어간다.

그러므로 전자의 자전으로 생기는 자기장 방향이 아래에서 위를 향하므로 위가 N극 아래가 S극인 자석이 있는 것과 같아진다. 이것을 '자기쌍극자' 혹은 '자기쌍극자모멘트'라고 부른다.

전자의 자전으로 전류와 자기장이 생성되고 이를 자기쌍극자모멘트 라고 한다.

자성체 안에는 이런 자기쌍극자가 무수히 많이 존재한다.
각각 자기쌍극자는 랜덤하게 방향을 가리키고 있다.

자성체 내부의 무수히 많은 자기쌍극자

최초의 자성체, 외부로부터 어떤 힘도 받지 않은 자성체 안의 모든 자기쌍극자들의 방향, 힘을 더하면 0이다.

이렇게 안정적인 자성체에 외부힘(자계)이 가해지면 자기쌍극자의 방향이 다르게 바뀌면서
모든 자기쌍극자의 방향, 힘의 합이 0이 아니게 된다.

외부힘(자계)의 변화에 따라 자기쌍극자의 방향, 힘의 합의 변화를 곡선으로 나타낸 것이 '자화특성곡선'인데 이는 다음에 확인해보자.