12. 철심의 자기쌍극자와 자화특성곡선에 대해 알아보자.(2)

12. 철심의 자기쌍극자와 자화특성곡선에 대해 알아보자.(2)


앞에서 철심의 자기쌍극자모멘트에 대해 알아보았다.
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11. 철심의 자기쌍극자와 자화특성곡선에 대해 알아보자.(1)

철심을 아주 작게 쪼개면 원자로 이루어져 있는데 원자 안의 전자는 핵 주변을 공전하기도 하고 스스로 자전하기도 한다.
전자가 자전하면서 전류와 자기장이 생성되는데 이 자기장 방향에 따라 N극과 S극으로 이루어진 자석이 있는 것처럼 보였다. 이것을 '자기쌍극자' 혹은 '자기쌍극자모멘트'라고 불렀다.


철심(자성체)은 무수히 많은 자기쌍극자로 이루어져 있고 각각 다른 방향을 가리키고 있는데 외부에서 어떤 힘이 가해지지 않은 경우 이 자기쌍극자들의 합은 '0'이다.
그러나 모터, 변압기, 발전기의 철심에 코일을 감아 사용할 때 코일에 전류를 흘리게 된다. 이 때 자계가 생성되면서 철심(자성체)이 자계의 영향을 받는다. 그러면 철심의 자기쌍극자들의 방향이 바뀌게 되고 자기쌍극자들의 합이 변한다.
자기쌍극자들의 합이 변하면서 철심에 변화가 생긴다.

철심에 가해지는 자계의 크기를 점점 크게 하면 어떤 영향이 있는지 자화특성곡선을 그려보면서 알아보자.

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

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2. 자화특성곡선 그려보기

앞에서 확인해본 자성체 내부의 자기쌍극자모멘트들은 아래와 같이 랜덤한 방향을 가리키고 있다.

자성체의 자기쌍극자모멘트

이 그림은 너무 많은 자기쌍극자가 있으므로 복잡하므로 단순화해서 자화특성곡선을 나타내보자.



자성체에 자기쌍극자모멘트가 2개라고 가정하고 자기쌍극자의 변화를 확인해보자.
(1) 초기의 상태는 ①,②영역의 자기쌍극자가 같은 크기이고, 서로 반대 방향을 보고 있으므로 힘이 '0'으로 안정적인 상태이다.

자성체 자기쌍극자 벡터합 '0'

(2) 안정적인 자성체에 약한 자석을 가져다 대면 ①,②의 자기쌍극자는 자석의 극을 따라간다. 화살표 끝인 N극은 자석의 S극을 따라가고 화살표의 시작점인 S극은 자석의 N극을 따라간다.

자성체에 자석을 가져다대면 자기쌍극자의 벡터합이 바뀐다.

초기 상태와는 다르게 화살표의 벡터합이 '0'이 아니게 된 걸 확인할 수 있다.





(3) 자성체에 조금 더 강한 자석을 가져다 대면 ①,②의 자기쌍극자는 자석의 극을 따라가는데 약한 자석일 때 보다 더 많이 끌려가므로 자기쌍극자의 벡터합이 더 커진다.

자성체에 더 강한 자석을 가져다대면 자기쌍극자가 더 많이 움직인다.

(4) 아주 강한 자석을 가져다 대면 ①,②의 자기쌍극자가 자석의 극을 따라 누워버리고 자기쌍극자의 벡터합이 최대가 된다. 여기서부터는 더 강한 자석을 가져와도 자기쌍극자의 변화가 없다. 자기쌍극자가 포화됐다고 볼 수 있다.

자성체에 아주 강한 자석을 가져다대면 자기쌍극자 벡터합이 최대가 되고 더 커지지 않는다.(포화)

위의 상황을 이용해서 철심의 자화특성곡선을 그려보자.

자화특성곡선, 포화 전까지 더 강한 자계를 걸어줄 수록 더 큰 자속밀도가 발생한다.

x축은 H(자계의 크기)로 외부에서 걸어준 자석의 세기이고,
y축은 B(자성체의 내부자속밀도)로 자기쌍극자모멘트가 다 합쳐진 크기이다.

(1) 외부에서 걸어준 자석의 세기(H)가 0일 땐 자기쌍극자모멘트의 합(B)이 '0'이다.
(2) 외부에 약한 자석(H)을 가져다 대면 자기쌍극자의 합(B)이 '0'이 아니게 된다.
(3) 외부에 강한 자석(H)을 가져다 대면 자기쌍극자의 합(B)이 더 커진다. 자석(H)이 강해질수록 (B)가 선형적으로 증가한다.
(4) 외부에 아주 강한 자석(H)을 가져다 대면 자기쌍극자의 합(B)이 최대(Bmax)가 된다. 철심이 포화된 시점인데 이 최대값(Bmax)는 물질마다 차이가 있다.