자성체와 자화

μ_r를 키워 장 강화 보기

자성체 막대를 외부 자기장 속에 두었다. 비투자율 μ_r를 키워 보라. 속 원자 자석들이 얼마나 정렬되나. 알짜 자기장(골드 화살표)은 어떻게 되나.

자성체란

모든 물질의 원자에는 전자의 운동과 스핀에서 비롯한 작은 자기모멘트, 곧 원자 크기의 자석이 들어 있다. 평소에는 이 작은 자석들이 제멋대로 향해 서로 상쇄되어 알짜 자기장이 없다. 그러나 외부 자기장을 걸면 이들이 장 방향으로 정렬하기 시작한다. 전류가 아니라 이미 있는 원자 자석을 줄 세우는 것이다. 이렇게 자석이 되는 성질을 자성이라 한다.

자화 M, 모멘트 정렬

외부 자기장을 걸면 수많은 원자 자석이 장 방향으로 정렬한다. 정렬 정도를 단위 부피당 자기모멘트로 나타낸 것이 자화 M이다. EM-10의 유전체 분극 P와 똑 닮은 개념이다. 다만 분극은 전하가 살짝 갈라진 것이고, 자화는 원래 있던 자석이 줄을 선 것이다. 정렬한 원자 자석들이 한 방향을 가리키면, 그 자기장이 모두 같은 쪽으로 보태진다.

알짜 장이 커진다

여기서 유전체와 결정적으로 갈린다. 유전체의 속박전하는 외부 전기장과 반대 방향 장을 만들어 전기장을 약화시켰다. 반면 정렬한 원자 자석들은 외부 자기장과 같은 방향 장을 보태 자기장을 강화한다. 그래서 알짜 자기장은 외부보다 세다. 강해지는 배수가 비투자율 μ_r다. B = μ_r B₀. 상자성체는 μ_r이 1보다 약간 크고, 강자성체(철·니켈)는 수백에서 수천에 이르러 자기장을 어마어마하게 키운다. 반자성체는 1보다 살짝 작아 오히려 약하게 밀어낸다.

투자율, H와 B

자화를 따로 떼어 다루려고 자기장의 세기 H를 쓴다. 자속밀도 B는 외부에서 건 H와 물질이 보탠 자화 M을 합친 것이다. B = μ₀(H + M). 선형 자성체에서는 M이 H에 비례해 B = μH로 깔끔해지고, 투자율은 μ = μ_r μ₀다. H는 자유전류가 만드는 부분, B는 자화까지 더한 실제 장이라 보면 된다. 강자성체는 비선형이라 한 번 자화되면 잘 안 풀리는 이력(히스테리시스)을 보여, 영구자석과 기록 매체의 바탕이 된다.

첫 화면으로 돌아가서

첫 화면에서 μ_r를 키우자 속 원자 자석들이 더 또렷이 정렬되고, 알짜 자기장을 나타내는 골드 화살표가 점점 길어졌다. 정렬한 자석들이 외부 자기장과 같은 방향으로 장을 보탰기 때문이다. 강해진 배수가 곧 μ_r다. B = μ_r B₀. 유전체가 전기장을 누그러뜨린 것과 정반대로, 자성체는 자기장을 키운다. 그래서 코일에 철심을 넣으면 인덕턴스가 μ_r배 뛴다(EM-17).

정자계의 마지막 조각은 에너지다. 코일과 자성체에 저장된 에너지는 사실 자기장 자체에 담겨 있다. 다음 유닛(EM-19 자기에너지)에서 이를 자기장 에너지밀도 u = B²/(2μ)로 본다. 정전에너지 u = ½εE²의 자기 짝이며, 코일의 ½LI²도 여기서 나온다. 그러면 정자계 일곱 조각이 마무리되고, 시변계와 맥스웰로 넘어간다.