자성체와 자화

μ_r를 키우면 안쪽 장이 강해진다

자성체 막대를 위쪽으로 향한 외부 자기장 속에 두었다. 하늘색 화살표가 외부 장이고, 막대 속 작은 화살표들이 원자 자석이다. 슬라이더로 비투자율 μ_r를 키우면 원자 자석들이 더 또렷하게 같은 방향으로 늘어서고, 막대 속 알짜 자기장을 나타내는 금색 화살표가 길어져요.

자성체란

원자 속 전자는 궤도 운동과 스핀 때문에 작은 자기모멘트를 지니고, 많은 원자는 이것이 합쳐져 원자 크기의 작은 자석이 된다. 평소에는 이 자석들이 제각각 다른 쪽을 향해 서로 상쇄되므로 알짜 자기장이 없다. 그러나 외부 자기장을 걸면 이들이 장 방향으로 늘어서기 시작한다. 전류를 새로 흘리는 것이 아니라 이미 있는 원자 자석을 줄 세우는 것이고, 이렇게 물질이 자석처럼 되는 성질을 자성이라 해요.

자화 M, 모멘트 정렬

외부 자기장을 걸면 수많은 원자 자석이 장 방향으로 정렬한다. 정렬한 정도를 단위 부피당 자기모멘트로 나타낸 것이 자화 M이다. EM-10의 분극과 꼭 닮은 개념이지만, 분극은 전하가 살짝 갈라진 것이고 자화는 원래 있던 자석이 줄을 선 것이라는 점이 다르다. 정렬한 원자 자석들이 한 방향을 가리키면 그 자기장이 모두 같은 쪽으로 보태져요.

알짜 장이 커진다

여기서 유전체와 결정적으로 갈린다. 유전체의 속박전하는 외부 전기장과 반대 방향의 장을 만들어 전기장을 약하게 했지만, 정렬한 원자 자석들은 외부 자기장과 같은 방향의 장을 보태 자기장을 강하게 한다. 그래서 알짜 자기장은 바깥보다 세고, 강해지는 배수가 비투자율 μ_r이다. B = μ_r B₀. 이 식은 자성체가 장 방향으로 길쭉할 때 잘 맞는다. 상자성체는 μ_r이 1보다 조금 크고, 철이나 니켈 같은 강자성체는 수백에서 수만에 이르러 자기장을 엄청나게 키운다. 반자성체는 μ_r이 1보다 살짝 작아 자기장을 조금 약하게 하고, 강한 자기장에서 밀려나요.

투자율, H와 B

자화의 몫을 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. H의 순환은 자유전류만으로 정해지고, B는 자화의 몫까지 담은 실제 장이라고 보면 된다. 강자성체는 선형이 아니어서 한 번 자화되면 쉽게 풀리지 않는 이력(히스테리시스)을 보이고, 이 성질이 영구자석과 기록 매체의 바탕이 돼요.

첫 화면으로 돌아가서

첫 화면에서 μ_r를 키우자 막대 속 원자 자석들이 더 또렷하게 정렬했고, 알짜 자기장을 나타내는 금색 화살표가 점점 길어졌다. 정렬한 자석들이 외부 자기장과 같은 방향으로 장을 보탰기 때문이다. 강해진 배수가 곧 μ_r이다. B = μ_r B₀. 유전체가 전기장을 누그러뜨린 것과 정반대로 자성체는 자기장을 키우고, 그래서 코일에 철심을 넣으면 인덕턴스가 μ_r배로 뛰어요(EM-17).

정자기 이야기의 마지막 조각은 에너지다. 코일과 자성체에 저장된 에너지는 사실 자기장 자체에 담겨 있다. 다음 유닛(EM-19 자기 에너지)에서 이를 자기장의 에너지 밀도 u = B²/(2μ)로 본다. 정전에너지 u = ½εE²와 짝을 이루며, 코일의 ½LI²도 여기서 나온다. 그러면 정자기의 일곱 유닛이 마무리되고, 시간에 따라 변하는 장과 맥스웰 방정식으로 넘어가요.