20. Magnetic Materials & Dia / Para / Ferromagnetism

1,  Magnetic materials

물체의 외부에 electric field가 작용할 때, atomic scale에서 electron을 정렬하여 물체를 permenant electric diapoles로 만드는데에는 electric field의 세기가 세고, temperature가 낮을수록 가능성이 높아진다.
이와 같이, 물체의 외부에 magnetic field가 작용할 때, atomic scale에서 물체를 permanent magnetic diapole로 만드는데에는 magnetic field의 세기가 세고, temperature가 낮을수록 가능성이 높아진다.

2. Diamagnetism

Diamagnetism은 외부의 자기장에 약하게 repel하는 물질의 성질을 말한다. 
외부의 magnetic field 에 의해서 물체에는 magnetic diapole이 생성이 되는데(quantum mechanics 원리), 이에 의한 magnetic field는 외부의 magnetic field와 반대방향으로 형성된다. 따라서, 실제 물체 내부에 작용하는 magnetic field는 항상 외부의 magnetic field보다 조금 작게 형성이 된다.

이러한 magnetic field를 생성하는 물리량은 Magnetic diapole moment으로 면적 A인 closed loop에 current I가 흐를때, Magnetic diapole moment Mu = IA 로 정의된다 (Mu의 방향은 A의 vector방향)

3. Paramagnetism

Paramagnetism은 외부의 자기장에 약하게 attract하는 물질의 성질을 말한다.
물체에는 이미 magnetic diapole이 이미 존재하지만, magnetic diapole moment는 무작위로 정렬되어 있다.
외부의 magnetic field에 의해서 magnetic diapole moment가 외부의 magnetic field와 같은 방향으로 정렬된다. 

 

4. Ferromagnetism

 

Ferromagnetism은 외부의 자기장에 강하게 attract하며, 자기장을 제거해도 여전히 magnetic diapole moment가 남아있는 물질의 성질을 말한다 (자석에 착! 달라붙는 철같은 물질).
물체에는 이미 마이크로미터 단위의 domain에 magnetic diapole이 이미 존재하고, 같은 domain 내부의 diapole들은 한방향으로 정렬되어 있다.

 

하지만, domain들끼리의 정렬방향은 서로 다를 수 있으며, 전체적으로는 magnetic diapole moment는 무작위로 정렬되어 있다. 외부의 magnetic field를 가하면 domain들은 외부의 magnetic field의 방향으로 정렬하기 시작하여 attract되고(정렬시 domain내 10^20개 정도의 atom이 한번에 정렬됨),
magnetic field를 제거해도 몇몇 domain은 해당방향의 정렬을 유지한다. 따라서, 여전히 magnetism을 갖는다. 

하지만, 충격을 가하거나 온도가 높아지면 magnetic diapole moment가 다시 무작위가 되어 magnetism을 잃게 된다. 
참고로 curie temperature이상으로 온도를 높이면, domain경계가 사라져버리고 paramagnetic이 되어버린다. 

Diaamagetic, Paramagnetic, Ferromagnetic이든, 많은 경우에 물체 내부에 작용하는 magnetic field는 vaccum field와 비례한다. (vaccum field의 크기는 측정 지점에 물질을 완전히 제거한 진공으로 만들어 측정한 외부의 field의 크기임) 
따라서, 식으로 물체내부의 $B = K_M B_{vac}$ 이 된다. ($K_M$은 relative permeability)
$K_M < 1$ 이면, Diamagnetic
$K_M > 1$ 이면, 작으면 Paramagnetic
$K_M > 1$ 이고, 매우 크면 Ferromagnetic 이다(외부의 자기장에 비해 10000배 더 강할 수 있다!)