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Ferromagnetic Material

Introduction to magnetism and materials that can be magnetized.

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강자성체

냉장고 문앞에 붙어 있는 자석 장식

여러 개의 집 모양 자석 장식이 냉장고 문 앞에 붙어있다. 이 자석 장식은 냉장고의 금속에는 달라붙지만 목재손잡이나 유리문에는 붙지 안는다. 목재나 유리는 자석을 끌어 당기지 않지만 금속 냉장고는 자석을 끌어 당긴다. 단지 일부 물질만 자력에 반응한다.

자석 만들기

자력(Magnetism) 은 어느 물질이 자석에 끌리고 자석이 될 수 있는 능력이다. 자력은 물질 원자내의 전자들의 움직임 때문에 생긴다. 전자가 원자핵 주위를 자전하면 이는 그 원자는 남북 자기극과 자기장을 갖는 미세한 자석이 된다. 대부분의 물질에서 원자의 남북 자기극은 서로 다른 뱡향을 가리키고 있어 전체 물질이 자석이 되지 않는다. 이와 같은 비자성체의 예로는 목재, 유리, 플라스틱, 종이 구리, 알루미늄 등이 있다. 이 물질들은 자석에 이끌리지 않으며 자석이 될 수도 없다. 

다른 물질 중에는 원자의 남북 자기극이 같은 방향으로 배열된 지역을 갖고 있는 것이 있는데 이 지역을 자구 ( magnetic domains) 라 부른다. 일반적으로 이 자구들이 서로 다른 방향을 가리키고 있기 때문에 물질에 자성이 없다.  그러나 이 물질을 자기장 안에 넣으면 자화(자석이 되는 것) 될 수 있다. 자화가 되면 모든 자구들이 아래 그림에서와 같이 같은 방향으로 정렬되고 그 물질은 자석이 된다. 자화될 수 있는 물질을 상자성체(ferromagnetic materials) .라 부르며, 이에는 철, 코발트, 니켈 등이 있다..

자구(Magnetic domains)가 외부의 자력장에 의해 같은 방향으로 정렬이 되어야 자석이 된다.

일시 및 영구자석

자화된 물질은 일시자석이나 영구자석이 될 수 있다.

  • 만일 막대자석을 클립 무더기에 가까이 가져가면 모든 클립의 자구가 같은 방향으로 배열되기 때문에 이들이 일시적으로 자화가 된다. 이에 따라 클립들이 자석에 붙고 아래 그림에서와 같이 클립끼리도 달라 붙는다. 그러나 클립을 막대자석의 자기장에서 떼어 놓으면 자구들의 정렬 방향이 흐트러져 클립들이 자력을 잃고 더 이상 자기들끼리 달라 붙지 아니한다. 다음 사이트에서 클립을 보다 장기간 자력을 유지할 수 있는 자석으로 만드는 손쉬운 방법을 따라 할 수 있다.  http://www.wikihow.com/Make-a-Magnet

클립의 자화

  • 만일 쇠못을 아래 그림에서와 같이 막대 자석이 때리면 그 못은 영구(최소한 오랫동안 유지되는) 자석이 된다. 이 못의 자구는 이 못에서 막대자석의 자기장이 제거 되어도 정렬된 상태를 유지한다..

쇠 못의 막대자석에 의한 자화

Q:  비록 영구자석일지라도 이를 떨어뜨리거나 고온으로 가열하면 자력을 잃을 수 있다. 그 이유가 무엇인가?  

A:  자석에 충격을 주거나 가열하면 자구의 배열이 흐트러 질 수 있다. 자구들이 같은 방향으로 배열되지 아니하면 그 물질은 더 이상 자력을 갖지 않는다. 

자철석

어떤 물질은 천연적 영구자석이다. 자연계의 대부분의 자성체는 아래 그림과 같은 자철석(magnetite) 또는 자석석이라 불리는 광물이다. 자철석의 자구는 자연적으로 지구의 자기 축에 맞추어져 있다. 이 그림의 왼쪽에는 자철석이 쇠못과 쇳가루를 끌어당긴 모습이 나타나 있다. 오른쪽 그림은 2000년 이전부터 중국에서 사용된 자찰석 수저 나침반이다.  이 수저의 손잡이는 항상 북극을 가리킨다. 분명히 자철석의 자성은 수천년 전부터 알려져 있었다. .

철물을 끌어 당기는 자철석(왼쪽)과 중국의 자철석 수저 나침반(오른쪽)

요약

  • 자력은 자석에 끌리거나 자석이 될 수 있는 능력이다. 어느 물질의 자구가 모두 같은 뱡향으로 배열되면 그 물질은 자석이 된다. 자구란 원자의 남북 자기극이 같은 방향으로 정렬된 지역이다. 
  • 강자성체라 불리는 일부 물질만이 자화가 될 수 있다. 이에는 철, 코발트, 니켈 등이 있다. 자화된 물질은 일시자석이나 영구자석이 될 수 있다..
  • 어떤 물질은 천연적인 영구자석이다.. 자연계의 자성체는 대부분 자철석이다  

용어

  • 자구(magnetic domain) : 원자의 남북 자기극이 같은 방향으로 배열된 상자성체의 지역
  • 자력(magnetism) : 자력에 반응하거나 자석이 될 수 있는 능력
  • 상자성체(ferromagnetic material) : 자화가 가능한 물질(철, 코발트, 니켈)

연습

다음 사이트에서 짧은 글을 읽고 애니메이션을 이용하여 강자성체를 자화한 다음 아래의 질문에 답하라.   http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/domains/index.html

  1. 강자성체가 자화되는 과정을 기술하라.
  2. 강자성체는 어떤 유형의 자석이 되는가?
  3. 상온에서 강자성체인 원소의 이름을 모두 열거하라. 
  4. 강자성체는 얼마나 오랫동안 자화된 상태로 있을 수 있나?

복습

  1. 자력을 정의하라.
  2. 왜 원자가 작은 자석이 되는가?
  3. 자구란 무엇인가?
  4. 강자성체의 고유 특성은 무엇인가? 강자성 물질 3가지를 열거하라.
  5. 쇠 못을 영구자석으로 만드는 방법을 설명하라..
  6. 자철석이란 무엇인가?

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