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전기기사 전기자기학 · 자화의 세기

Magnetization Intensity

원자 하나하나는 전자의 궤도 운동과 스핀 때문에 아주 작은 자석, 곧 자기 쌍극자처럼 행동한다. 외부 자계가 없으면 이 쌍극자들이 제멋대로 흩어져 있어 물질 전체의 자화 M 은 0 이고, 자계 H 를 걸면 하나둘 같은 쪽을 향해 M 이 생긴다. M = χₘH 로 쓰고, 자속밀도는 자화가 보탠 몫까지 더해 B = μ₀(H + M) 이 돼요. 첫 슬라이더로 H 를 키우면 상자 속 보라색 쌍극자들이 오른쪽으로 줄을 서고, 둘째 슬라이더로 M 을 키우면 분자 전류가 안에서는 지워지고 표면에만 남는 모습이 보여요.

물질은 어떻게 자석이 되나

🧲 자화의 정체
①원자는 전자의 궤도 운동과 스핀 때문에 미시적인 자기 쌍극자를 지닌다
②외부 자계가 없으면 쌍극자 방향이 제각각이라 서로 지워져 M = 0 이다
③외부 자계 H 를 걸면 쌍극자가 한쪽으로 줄을 서고 M ≠ 0 이 되는데, 이 상태를 물질이 자화됐다고 해요

자화가 진행되는 모습

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🔑 그림에서 볼 것
①H = 0 이면 쌍극자 화살표가 제각각이라 합한 자화 M 은 0 이다
②H 를 키울수록 화살표가 H 방향(오른쪽)으로 돌아서고 아래 M 화살표가 길어진다
③H 가 충분히 크면 거의 모든 쌍극자가 한 줄로 서서 M 이 더 늘지 않는 포화에 이르러요

자화의 세기 M

자화의 세기
M = χₘH [A/m]
χₘ: 자화율(무차원). 자계 H 한 단위가 만드는 자화의 크기
자속밀도와 자화
B = μ₀(H + M) = μ₀(1 + χₘ)H = μH
μ = μ₀(1 + χₘ) = μ₀μᵣ. 투자율 안에 자화가 보탠 몫이 이미 들어 있다
비투자율
μᵣ = 1 + χₘ
강자성체 μᵣ ≫ 1(수백 ~ 수십만), 상자성체 μᵣ 는 1 보다 조금 크고, 반자성체 μᵣ 는 1 보다 조금 작다

자화 전류

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자화 전류 밀도
Jₘ = ∇ × M [A/m²]
M 의 회전(curl)이 자화 전류 밀도다. 고르게 자화되면 안쪽은 0 이고 표면에만 흐른다
💡 자화 전류가 뜻하는 것
①자화된 물질 안에서는 이웃한 분자 전류가 맞닿는 자리에서 방향이 반대라 서로 지워진다
②표면에서는 짝이 없어 지워지지 않은 전류가 남는데, 이것이 표면 자화 전류다
③그림의 초록 점선처럼 이 표면 전류가 물질을 한 바퀴 감싸 흐르며, 솔레노이드처럼 안쪽 자계를 키워요

시험 핵심 정리

자화의 세기
M = χₘH
단위 [A/m]
B 와 M 의 관계
B = μ₀(H + M)
μ₀H + μ₀M
🎯 시험 포인트
①M = χₘH: 자화율 χₘ 이 클수록 자화가 잘 된다
②B = μ₀(H + M) = μ₀μᵣH = μH: 자속밀도에는 자화가 들어 있다
③μᵣ = 1 + χₘ: 비투자율과 자화율의 관계
④자화 전류 Jₘ = ∇×M: 고르게 자화되면 안쪽 Jₘ = 0 이고 표면에만 흐른다
⑤강자성체 χₘ ≫ 1, 상자성체 χₘ > 0(작음), 반자성체 χₘ < 0(작음)으로 부호까지 묻는 문제가 나와요
📝 대표 기출 유형
①[자화율] χₘ = 999 인 강자성체의 비투자율 → μᵣ = 1 + χₘ = 1000
②[B = μ₀(H + M)] H = 100 A/m, M = 99,900 A/m → B = μ₀ × 10⁵ ≈ 0.126 T
③[자화 전류] 고르게 자화된 원통 자성체에서 자화 전류는 어디에 흐르나 → 표면에만 흘러요
← 이전
분포전류와 특수 효과
다음 →
자성체의 자속밀도

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