자기

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1. 개요

자기는 물질이 자석에 끌리거나 밀어내는 현상 또는 그러한 현상을 일으키는 성질을 의미한다. 고대 그리스 시대부터 연구가 시작되어, 윌리엄 길버트의 과학적 연구를 거쳐 19세기에는 전류와 자기장의 관계가 밝혀졌다. 20세기 초 양자역학의 발전으로 물질의 자성 기원이 규명되었고, 현재는 다양한 자성체 연구, 스핀트로닉스, 자기 기록 매체 개발 등 다양한 분야에서 응용되고 있다. 자성은 강자성, 상자성, 반자성 등 여러 종류로 분류되며, 전자기학, 상대성 이론과 밀접한 관련을 가진다. 한국에서는 자기부상열차, 자기공명영상, 스핀트로닉스 등 관련 연구 개발 및 산업이 진행되고 있다.

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자기 - 상자성
상자성은 외부 자기장이 없을 때는 자성을 띠지 않지만, 외부 자기장이 가해지면 자기장 방향으로 약하게 자화되는 성질을 말하며, 짝을 짓지 않은 전자의 스핀으로 인해 영구 자기 모멘트를 가지는 상자성체가 이러한 특징을 보인다.
자기 - 자석
자석은 내부 자구들의 정렬로 자기장을 생성하는 물체로, N극과 S극을 가지며 영구자석과 전자석으로 나뉘어 나침반, 스피커 등 다양한 분야에 활용된다.
화학에 관한 - 칼륨
칼륨은 은백색의 무른 알칼리 금속으로 반응성이 매우 높고 생물학적으로 중요한 전해질이며, 비료 생산을 비롯한 다양한 산업 분야에서 활용되지만 물과의 격렬한 반응 및 폭발성 과산화물 생성 가능성으로 취급 시 주의가 필요하며, 자연계에 세 가지 동위원소로 존재한다.
화학에 관한 - 파울리 배타 원리
파울리 배타 원리는 1925년 볼프강 파울리가 제시한 양자역학 원리로, 동일한 페르미온은 동일한 양자 상태에 존재할 수 없으며, 원자의 전자 배치, 화학 결합, 천체 특성 등을 설명하는 데 중요한 역할을 한다.
전자기학 - 전력
전력은 전압과 전류의 곱으로 계산되며, 발전소에서 생산되어 송전 및 배전을 통해 소비자에게 공급되고, 에너지 저장 기술을 통해 안정적으로 공급될 수 있으며, 산업, 상업, 가정 등 다양한 분야에서 소비된다.
전자기학 - 절연체
절연체는 전기 전도성을 막아 전기의 흐름을 제어하고 안전을 확보하며, 밴드 이론에 따라 큰 띠틈을 가져 외부 전압이 띠틈을 넘어서면 절연 파괴가 발생하며, 유리에서 세라믹, 고분자 복합 재료 등으로 제작되어 전선, 케이블 등 다양한 분야에 사용된다.

자기
자기
개요
자기	전자기학의 한 분야로 전류나 자석의 움직임에서 발생하는 힘의 한 종류이다.
발생 원인	전하의 움직임 또는 자기 모멘트
주요 특성	자기장 자화 투자율
관련 법칙	앙페르 회로 법칙 비오-사바르 법칙 가우스 자기 법칙
자기의 종류
강자성	강하게 자화되는 현상
상자성	약하게 자화되는 현상
반자성	외부 자기장에 반발하는 현상
페로자성	강자성과 유사하지만 자화 방향이 반대인 현상
반강자성	인접한 자기 모멘트가 반대 방향으로 정렬된 현상
자기 차폐
정의	외부 자기장으로부터 특정 영역을 보호하는 방법
원리	자성체의 투자율을 이용하여 자기장을 약화시킴
방법	평판 자성체, 자기 차폐 케이스 사용
응용 분야
기술	전기 모터 발전기 변압기 자기 공명 영상 자기 저장 장치 자기 부상 열차
일상 생활	나침반 신용 카드 자기 테이프
주요 개념
자기장	자기력이 작용하는 공간
자기 모멘트	물체가 자기력을 생성하는 능력
자화	물질이 자기장에 반응하여 자석처럼 되는 현상
투자율	물질이 자기장을 통과시키는 정도
자기 선속	자기장이 통과하는 양
역사
초기 연구	고대 그리스에서 자석의 발견 및 관찰
19세기	전자기학 발전과 함께 자기 현상 규명
현대	양자역학 기반으로 자기 현상에 대한 이해 심화
관련 학문
전자기학	전기와 자기 현상을 통합적으로 다루는 학문
물리학	자기 현상의 기본적인 원리를 연구하는 학문
재료공학	자기적 특성을 가지는 재료를 개발하는 학문
추가 정보
참고 문헌	데이비드 자일스, "Introduction to magnetism and magnetic materials" (2015)
관련 논문	야핑 두, T.C. 청, A.S. 파라그, "Principles of power-frequency magnetic field shielding with flat sheets in a source of long conductors" (1996)

2. 역사

고대 그리스 시대의 탈레스가 호박을 문지르면 정전기 유도 현상과 자철석이 철을 끌어당기는 현상을 발견하면서 자성에 대한 역사가 시작되었다.^[3] 아리스토텔레스는 탈레스가 자기에 대한 최초의 과학적 논의를 했다고 언급했다.^[6]

== 고대와 중세 ==

기원전 6세기경, 그리스의 탈레스는 호박의 정전기 유도 현상과 자철석의 인력 현상을 발견하였다.^[3] 아리스토텔레스에 따르면 탈레스는 자기에 대한 최초의 과학적 논의를 한 철학자로 여겨진다.^[6] 기원전 4세기경, 중국 전국시대의 귀곡자는 저서 《귀곡자》를 통해 자철석이 철을 끌어당긴다는 사실을 기록했다.^[8]

11세기, 중국의 심괄은 저서 《몽계필담》에서 자철석을 사용한 나침반을 최초로 언급했다. 이 나침반은 숟가락 모양의 자철석을 실에 매단 형태였다.^[10] 12세기, 유럽에서는 잉글랜드의 알렉산더 네컴이 1187년에 항해에 나침반을 사용하는 법을 기술했다.

1269년, 페트루스 페레그리누스(Petrus Peregrinus de Maricourt^프랑스어)는 자석의 성질에 대한 실험을 진행하여 자석의 극성과 상호작용을 밝혔다. 그는 자석은 두 극이 있으며, 한 자석이 두 쪽으로 나뉘어도 각 조각은 항상 두 극을 가진다는 것을 알아냈다. 또한, 자석의 같은 극은 서로 밀어내며 다른 극은 서로 당긴다는 것을 발견했다. 그러나 페레그리누스는 자석이 북쪽과 남쪽을 가리키는 현상이 지구의 자기장에 의한 것임을 알지 못했다.

== 근세 ==

1581년 잉글랜드의 로버트 노먼(Robert Norman^영어)은 저서 《새로운 인력》(The Newe Attractive^영어)에서 나침반 바늘이 아래로 기울어지는 현상을 발견했다. 처음에는 나침반의 불균형을 의심했지만, 반복적인 실험을 통해 실제로 아래쪽으로 힘을 받는다는 것을 확인했다. 노먼은 이 힘이 하늘이 아닌 지구에 의한 것임을 발견하는 데 중요한 역할을 했다.

로버트 노먼의 저서 《새로운 인력》의 한 삽화. 나침반의 바늘(THE NEDEL^영어)이 수평(THE HORIZON^영어)에 대하여 가리키는 방향을 나타낸다.

1600년 윌리엄 길버트는 《자석에 대하여》^[45]라는 책을 출판하여 자기 현상을 연구했다. 길버트는 나침반이 지구의 자기적 성질에 의해 작동한다고 주장했으며, 이는 자기 현상에 대한 최초의 과학적 연구로 평가받는다. 길버트는 테렐라라고 불리는 지구 모형을 사용한 실험을 통해 지구 자체가 자성을 띠고 있으며, 이것이 나침반이 북쪽을 가리키는 이유라고 결론지었다.

길버트의 1600년 저서 ''De Magnete''에 나오는 초기 자석 제작 방법 중 하나를 보여주는 그림. 대장장이가 남북 방향으로 달구어진 철 조각을 잡고 식히면서 두드리고 있다. 지구의 자기장이 자구를 정렬시켜 철을 약한 자석으로 만든다.

19세기에는 한스 크리스티안 외르스테드가 전류가 자기장을 생성한다는 사실을 발견했다.^[34] 장-바티스트 비오와 펠릭스 사바르는 비오-사바르 법칙을 제시하여 전류가 흐르는 전선에서 발생하는 자기장에 대한 방정식을 제시했다. 앙드레마리 앙페르는 두 전류 사이에 작용하는 자기력을 연구했다. 마이클 패러데이는 시간에 따라 변하는 자기장이 전압을 유도한다는 것을 발견했다.^[46]

제임스 클러크 맥스웰은 맥스웰 방정식을 통해 전기장과 자기장의 관계를 통합적으로 설명하고, 빛이 전자기파의 일종임을 밝혔다.^[47] 이는 전자기학 분야를 탄생시켰으며, 알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론으로 이어졌다.^[34]^[12]

== 현대 ==

20세기 초, 양자역학의 발전으로 물질의 자성 기원이 원자 내 전자의 스핀과 궤도 운동에 의한 것임이 밝혀졌다. 이는 보어-반 루엔 정리 때문에 거시적인 고전계에서는 물질의 자성을 설명할 수 없었기 때문이다.^[35] 양자역학의 성립 이후, 전자나 원자핵이 갖는 스핀 각운동량이 미시적인 물질 내 자성 기원의 본질임이 인식되었다. 베르너 하이젠베르크는 1928년 양자론에 기반한 강자성체의 이론을 제시했다.^[35]

하이젠베르크의 이론을 시작으로 양자역학을 이용한 물질의 자성 연구가 본격적으로 시작되었지만, 원자핵 근방에 국재한 전자가 자성을 담당하고 있다는 하이젠베르크의 이론에 대립하여, 펠릭스 블로흐, 에드먼드 스토너 등은 물질 속을 떠돌아다니는 전자가 자성을 담당한다는 편력전자이론^[36]^[37]을 제시하여, 어느 이론이 옳은지 30년 동안 논쟁이 계속되었다. 그 사이에도 루이 넬은 반강자성, 약강자성 등 새로운 자기 구조를 발견하고 설명했다. 국재 전자 이론 대 편력전자이론의 싸움은 결국 각 이론이 유효한 물질이 발견되면서, 두 이론 모두 어느 정도 옳다는 것이 명확해졌다.

1949년 네빌 모트는 전자 상관에 따른 편력전자의 국재화 개념을 제시했고,^[38] 1959년 필립 앤더슨은 모트의 개념을 이용하여 허바드 모델에서 전자의 국재화의 기초를 마련했다.^[39] 이를 통해 편력전자와 국재 전자를 통합적으로 다루는 틀이 확립되었다. 이 공로로 모트와 앤더슨은 자성에 대해 연구했던 존 반 블렉과 함께 1977년 노벨 물리학상을 수상했다(수상 이유: 자성체와 무질서계의 전자 구조에 대한 기초 이론 연구).

20세기 후반에는 구리 산화물계 고온 초전도체와 자기 질서의 관련성, 자성의 산업적 이용, 스핀트로닉스의 발전 등으로 물질 내 전자가 갖는 스핀의 성질에 대한 더 깊은 이해에 대한 욕구가 강해졌다. 물질 내 자기 구조를 인공적으로 조작하는 것도 가능해졌고, 자구라고 불리는 강자성의 구조에 정보를 기록하는 하드 디스크 드라이브도 실용화되었다.

2. 1. 고대와 중세

기원전 6세기경, 그리스의 탈레스는 호박의 정전기 유도 현상과 자철석의 인력 현상을 발견하였다.^[3] 아리스토텔레스에 따르면 탈레스는 자기에 대한 최초의 과학적 논의를 한 철학자로 여겨진다.^[6] 기원전 4세기경, 중국 전국시대의 귀곡자는 저서 《귀곡자》를 통해 자철석이 철을 끌어당긴다는 사실을 기록했다.^[8]

11세기, 중국의 심괄은 저서 《몽계필담》에서 자철석을 사용한 나침반을 최초로 언급했다. 이 나침반은 숟가락 모양의 자철석을 실에 매단 형태였다.^[10] 12세기, 유럽에서는 잉글랜드의 알렉산더 네컴이 1187년에 항해에 나침반을 사용하는 법을 기술했다.

1269년, 페트루스 페레그리누스(Petrus Peregrinus de Maricourt^프랑스어)는 자석의 성질에 대한 실험을 진행하여 자석의 극성과 상호작용을 밝혔다. 그는 자석은 두 극이 있으며, 한 자석이 두 쪽으로 나뉘어도 각 조각은 항상 두 극을 가진다는 것을 알아냈다. 또한, 자석의 같은 극은 서로 밀어내며 다른 극은 서로 당긴다는 것을 발견했다. 그러나 페레그리누스는 자석이 북쪽과 남쪽을 가리키는 현상이 지구의 자기장에 의한 것임을 알지 못했다.

2. 2. 근세

1581년 잉글랜드의 로버트 노먼(Robert Norman^영어)은 저서 《새로운 인력》(The Newe Attractive^영어)에서 나침반 바늘이 아래로 기울어지는 현상을 발견했다. 처음에는 나침반의 불균형을 의심했지만, 반복적인 실험을 통해 실제로 아래쪽으로 힘을 받는다는 것을 확인했다. 노먼은 이 힘이 하늘이 아닌 지구에 의한 것임을 발견하는 데 중요한 역할을 했다.

1600년 윌리엄 길버트는 《자석에 대하여》^[45]라는 책을 출판하여 자기 현상을 연구했다. 길버트는 나침반이 지구의 자기적 성질에 의해 작동한다고 주장했으며, 이는 자기 현상에 대한 최초의 과학적 연구로 평가받는다. 길버트는 테렐라라고 불리는 지구 모형을 사용한 실험을 통해 지구 자체가 자성을 띠고 있으며, 이것이 나침반이 북쪽을 가리키는 이유라고 결론지었다.

19세기에는 한스 크리스티안 외르스테드가 전류가 자기장을 생성한다는 사실을 발견했다.^[34] 장-바티스트 비오와 펠릭스 사바르는 비오-사바르 법칙을 제시하여 전류가 흐르는 전선에서 발생하는 자기장에 대한 방정식을 제시했다. 앙드레마리 앙페르는 두 전류 사이에 작용하는 자기력을 연구했다. 마이클 패러데이는 시간에 따라 변하는 자기장이 전압을 유도한다는 것을 발견했다.^[46]

제임스 클러크 맥스웰은 맥스웰 방정식을 통해 전기장과 자기장의 관계를 통합적으로 설명하고, 빛이 전자기파의 일종임을 밝혔다.^[47] 이는 전자기학 분야를 탄생시켰으며, 알베르트 아인슈타인의 특수 상대성 이론으로 이어졌다.^[34]^[12]

2. 3. 현대

20세기 초, 양자역학의 발전으로 물질의 자성 기원이 원자 내 전자의 스핀과 궤도 운동에 의한 것임이 밝혀졌다. 이는 보어-반 루엔 정리 때문에 거시적인 고전계에서는 물질의 자성을 설명할 수 없었기 때문이다.^[35] 양자역학의 성립 이후, 전자나 원자핵이 갖는 스핀 각운동량이 미시적인 물질 내 자성 기원의 본질임이 인식되었다. 베르너 하이젠베르크는 1928년 양자론에 기반한 강자성체의 이론을 제시했다.^[35]

하이젠베르크의 이론을 시작으로 양자역학을 이용한 물질의 자성 연구가 본격적으로 시작되었지만, 원자핵 근방에 국재한 전자가 자성을 담당하고 있다는 하이젠베르크의 이론에 대립하여, 펠릭스 블로흐, 에드먼드 스토너 등은 물질 속을 떠돌아다니는 전자가 자성을 담당한다는 편력전자이론^[36]^[37]을 제시하여, 어느 이론이 옳은지 30년 동안 논쟁이 계속되었다. 그 사이에도 루이 넬은 반강자성, 약강자성 등 새로운 자기 구조를 발견하고 설명했다. 국재 전자 이론 대 편력전자이론의 싸움은 결국 각 이론이 유효한 물질이 발견되면서, 두 이론 모두 어느 정도 옳다는 것이 명확해졌다.

1949년 네빌 모트는 전자 상관에 따른 편력전자의 국재화 개념을 제시했고,^[38] 1959년 필립 앤더슨은 모트의 개념을 이용하여 허바드 모델에서 전자의 국재화의 기초를 마련했다.^[39] 이를 통해 편력전자와 국재 전자를 통합적으로 다루는 틀이 확립되었다. 이 공로로 모트와 앤더슨은 자성에 대해 연구했던 존 반 블렉과 함께 1977년 노벨 물리학상을 수상했다(수상 이유: 자성체와 무질서계의 전자 구조에 대한 기초 이론 연구).

20세기 후반에는 구리 산화물계 고온 초전도체와 자기 질서의 관련성, 자성의 산업적 이용, 스핀트로닉스의 발전 등으로 물질 내 전자가 갖는 스핀의 성질에 대한 더 깊은 이해에 대한 욕구가 강해졌다. 물질 내 자기 구조를 인공적으로 조작하는 것도 가능해졌고, 자구라고 불리는 강자성의 구조에 정보를 기록하는 하드 디스크 드라이브도 실용화되었다.

3. 자성의 종류

자성은 물질 내 자기 모멘트의 배열과 상호작용 방식에 따라 다양하게 분류된다.

강자성: 외부 자기장이 없는 상태에서도 자화되는 물질의 자기적 성질을 말하는데, 보통 일상생활에서 볼 수 있는 자석의 같은 힘을 말한다.
반강자성
준강자성
상자성: 외부의 자기장이 있으면 자기적 성질을 가지지만, 외부의 자기장이 사라지면 자기적 성질이 사라진다.
초상자성
반자성: 자기장에 대한 물질의 약한 반발력
초반자성: 저온의 특정 물질에서 발생하는 현상으로 자기 투자율이 전무한 (즉 자기 투자율 = −1) 그리고 내부 자기장을 축출하는 특징을 지니는데, 초저온 자기부상의 원리가 된다.
메타자성
스핀 글라스
스핀 아이스

3. 1. 강자성 (Ferromagnetism)

강자성(Ferromagnetism)은 외부 자기장이 없어도 자화 상태를 유지하는 성질이다. 철, 니켈, 코발트, 가돌리늄 및 일부 희토류 합금이 대표적인 강자성체이다. 강자성체는 상자성체와 마찬가지로 짝을 짓지 않은 전자를 가지고 있다. 그러나 전자의 고유 자기 모멘트가 가해진 자기장과 평행해지려는 경향 외에도, 이러한 물질에서는 이러한 자기 모멘트가 서로 평행하게 정렬되어 낮은 에너지 상태를 유지하려는 경향이 있다. 따라서, 가해진 자기장이 없더라도, 물질 내 전자의 자기 모멘트는 자발적으로 서로 평행하게 정렬된다.

강자성체는 각각의 퀴리 온도(Curie temperature) 또는 퀴리점이라고 하는 고유한 온도를 가지고 있으며, 이 온도를 넘어서면 강자성 특성을 잃는다. 이는 강자성 질서로 인한 에너지 저하보다 열적 무질서 경향이 더 강하기 때문이다.

강자성체의 원자들의 자기 모멘트는 마치 작은 영구 자석처럼 작용하게 한다. 이들은 서로 달라붙어 다소 균일하게 정렬된 작은 영역을 형성하는데, 이를 자기 도메인 또는 바이스 도메인이라고 한다. 자기 도메인은 자기력 현미경을 사용하여 관찰할 수 있다.

도메인에 분자가 너무 많으면 불안정해지고 서로 더 안정적으로 달라붙도록 반대 방향으로 정렬된 두 개의 도메인으로 나뉜다. 자기장에 노출되면 도메인 경계가 이동하여 자기장과 정렬된 도메인이 성장하고 구조를 지배하게 된다. 자화장이 제거되면 도메인이 비자화 상태로 돌아가지 않을 수 있다. 이로 인해 강자성체가 자화되어 영구 자석이 된다.

우세한 도메인이 다른 모든 도메인을 압도하여 단일 도메인만 남게 될 정도로 강하게 자화되면, 그 물질은 자기적으로 포화된다. 자화된 강자성체를 퀴리 온도까지 가열하면 분자가 격렬하게 움직여 자기 도메인이 조직을 잃고, 그로 인한 자기적 특성이 사라진다. 물질이 냉각되면 이 도메인 정렬 구조는 액체가 결빙하여 결정성 고체가 되는 것과 거의 유사하게 자발적으로 돌아온다.

3. 2. 반강자성 (Antiferromagnetism)

반강자성체는 강자성체와 달리, 인접한 원자가전자의 고유 자기 모멘트가 서로 ''반대'' 방향을 향하는 경향이 있다. 모든 원자가 물질 내에서 각 이웃 원자와 반평행을 이루도록 배열될 때, 그 물질은 '''반강자성체'''이다. 반강자성체는 인접한 반대 모멘트가 상쇄되기 때문에 순 자기 모멘트가 0이며, 따라서 자기장을 생성하지 않는다. 반강자성은 다른 유형의 자기적 거동에 비해 덜 일반적이며, 주로 저온에서 관찰된다. 온도 변화에 따라 반강자성체는 반자성 및 페리자성을 나타낼 수 있다.

일부 물질에서는 인접한 전자가 반대 방향을 향하는 것을 선호하지만, 모든 이웃 쌍이 반평행으로 정렬되는 기하학적 배열은 없다. 이를 캔팅 반강자성체 또는 스핀 얼음이라고 하며, 기하학적 좌절의 예이다. 각각의 쌍이 제각기 다른 방향을 향하고 있는 물질은 "스핀글래스"라고 부르며, 좌절이 발생하고 있는 예이다.

3. 3. 준강자성 (Ferrimagnetism)

준강자성(Ferrimagnetism)은 강자성과 유사하게 자발 자화를 가지지만, 반강자성처럼 인접한 원자의 자기 모멘트가 반대 방향으로 정렬된다. 하지만, 두 부격자(sublattice)의 자기 모멘트 크기가 달라 전체적으로는 자화가 남는다. 대표적인 페리자성체는 최초로 발견된 자성 물질인 자철석이 있는데, 루이 네엘에 의해 페리자성체임이 밝혀지기 전까지는 강자성체로 여겨졌다.

3. 4. 상자성 (Paramagnetism)

외부 자기장이 있을 때만 자기 모멘트가 정렬되어 자성을 띠는 성질이다. 외부 자기장이 제거되면 자성을 잃는다. 짝을 이루지 않은 전자를 가진 원자나 분자가 주로 상자성을 나타낸다.

상자성 물질에는 짝짓지 않은 전자가 존재한다. 즉, 원자 또는 분자 궤도함수에 정확히 하나의 전자가 있다. 파울리 배타 원리에 따라 짝을 이룬 전자는 고유한('스핀') 자기 모멘트가 반대 방향으로 향하게 되어 자기장이 상쇄되지만, 짝짓지 않은 전자는 자기 모멘트를 어떤 방향으로든 자유롭게 정렬할 수 있다. 외부 자기장이 가해지면 이러한 자기 모멘트는 가해진 자기장과 같은 방향으로 정렬하려는 경향이 있으므로 자기장을 강화한다.

3. 5. 초상자성 (Superparamagnetism)

강자성체 또는 페리자성체가 충분히 작으면 브라운 운동의 영향을 받는 단일 자기 스핀처럼 작용한다. 자기장에 대한 반응은 상자성체의 반응과 질적으로 유사하지만 훨씬 더 크다.

3. 6. 반자성 (Diamagnetism)

반자성(Diamagnetism)은 모든 물질에서 나타나는 현상으로, 외부 자기장에 반발하는 성질을 말한다.^[14]^[41] 외부 자기장에 반대하는 경향을 띄며, 자기장에 의해 밀쳐지는 경향으로 나타난다. 그러나 상자성이나 강자성이 있는 물질에서는 그 효과가 가려진다. 따라서 반자성은 주로 짝을 이루지 않은 전자가 없는 물질에서 관찰된다.^[14]^[41]

반자성 물질에서는 전자가 쌍을 이루고 있어 전자의 스핀 자기 모멘트가 상쇄되어 거시적인 효과를 일으키지 않는다. 이 경우, 자화는 전자의 궤도 운동에서 비롯된다. 물질이 자기장에 놓이면, 원자핵 주위를 공전하는 전자는 쿨롱 인력 외에도 자기장으로부터 로렌츠 힘을 받는다. 전자가 공전하는 방향에 따라 이 힘은 전자에 대한 구심력을 증가시키거나 감소시킨다. 이 효과는 자기장과 반대 방향으로 정렬된 궤도 자기 모멘트를 체계적으로 증가시키고, 자기장과 평행하게 정렬된 궤도 자기 모멘트를 감소시킨다(렌츠의 법칙). 이는 가해진 자기장과 반대 방향의 작은 벌크 자기 모멘트를 생성한다.^[14]

보어-반 리우웬 정리에 따르면, 고전 물리학으로는 반자성을 설명할 수 없으며, 제대로 이해하기 위해서는 양자 역학적 설명이 필요하다.^[14]

모든 물질은 이러한 궤도 반응을 겪지만, 상자성 및 강자성 물질에서는 짝을 이루지 않은 전자에 의해 발생하는 훨씬 더 강한 효과에 의해 반자성 효과가 압도된다.^[14]^[41]

3. 7. 기타 자성

메타자성, 스핀 글라스, 스핀 아이스 등이 기타 자성에 포함된다. 일본 물리학자 나가오카 요스케(Yosuke Nagaoka)는 정사각형 격자 구조의 2차원 격자에서 각 격자점에 전자 하나씩 있는 자기 현상의 한 유형을 고안했다.^[15]

4. 전자기학과의 관계

아인슈타인의 특수 상대성 이론에 따르면, 전기와 자기는 근본적으로 상호 연관되어 있다. 전기가 없는 자기, 자기가 없는 전기는 길이 수축, 시간 지연과 같은 현상 때문에 특수 상대성 이론과 모순된다. 그러나 전기와 자기를 모두 고려한 전자기학은 특수 상대성 이론과 완전히 일치한다.^[12]^[19] 한 관찰자에게는 순수하게 전기적 또는 자기적으로 보이는 현상이 다른 관찰자에게는 전기와 자기가 섞인 것으로 보일 수 있으며, 전기와 자기의 상대적 기여는 기준틀에 따라 달라진다. 특수 상대성 이론은 전기와 자기를 전자기학이라는 하나의 현상으로 "혼합"하며, 이는 일반 상대성 이론이 공간과 시간을 시공간으로 "혼합"하는 것과 유사하다.

전자기학에 대한 모든 관찰은 자기에도 적용된다. 예를 들어, 자기장의 변화는 반드시 0이 아닌 전기장을 동반하며, 빛의 속도로 전파된다.^[20]

4. 1. 자기장과 자기력

자기 현상은 자기장에 의해 매개된다. 전류 또는 자기 쌍극자가 자기장을 생성하고, 그 자기장은 차례로 자기장 내에 있는 다른 입자에 자기력을 가한다.^[43] 정상 전류의 경우 비오-사바르 법칙으로 단순화되는 맥스웰 방정식은 이러한 힘을 지배하는 자기장의 기원과 거동을 설명한다.^[43]

막대자석 위에 종이를 놓고 그 위에 철가루를 뿌리면 자력선이 눈에 보인다.

대전된 입자가 운동할 때마다—예를 들어, 전류 내의 전자의 움직임이나, 어떤 경우에는 원자핵 주위의 전자의 궤도 운동으로부터—자기 현상이 관찰된다. 또한 양자역학적 스핀으로부터 발생하는 "고유한" 자기 쌍극자에서도 발생한다.

자기장을 생성하는 상황—전류 또는 원자 내에서 움직이는 전하, 그리고 고유 자기 쌍극자—은 또한 자기장이 영향을 미쳐 힘을 생성하는 상황이기도 하다. 움직이는 전하가 자기장 '''B'''를 통과할 때, 로렌츠 힘 '''F'''를 느끼는데, 이는 외적으로 주어진다.^[21]

:

\mathbf{F} = q (\mathbf{v} \times \mathbf{B}) ,

여기서

:

q

는 입자의 전하량이고,

: '''v'''는 입자의 속도 벡터이다.

이것이 외적이기 때문에, 힘은 입자의 운동과 자기장 모두에 수직이다. 따라서 자기력은 입자에 대한 일을 하지 않는다. 입자의 운동 방향을 바꿀 수는 있지만, 속도를 증가시키거나 감소시킬 수는 없다. 힘의 크기는 다음과 같다.

:

F=qvB\sin\theta\,

여기서

\theta

는 '''v'''와 '''B''' 사이의 각도이다.

움직이는 전하의 속도 벡터, 자기장, 그리고 작용하는 힘의 방향을 결정하는 한 가지 방법은 오른손을 사용하여 집게손가락을 "V", 가운데손가락을 "B", 엄지손가락을 "F"로 표시하는 것이다. 가운데손가락이 집게손가락 아래를 지나도록 총 모양을 만들면, 손가락은 각각 속도 벡터, 자기장 벡터, 힘 벡터를 나타낸다. 오른손 법칙도 참조한다.

자석의 반대쪽 끝이 서로 끌어당기기 때문에 자석의 북극은 다른 자석의 남극에 끌린다. 지구의 북극(자기)(현재 캐나다 북쪽 북극해에 위치)는 나침반의 북극을 끌어당기므로 물리적으로 남극이다.

4. 2. 전자기 유도

4. 3. 상대성 이론과의 관계

특수 상대성 이론에 따르면, 전기와 자기는 근본적으로 상호 연관되어 있다. 전기가 없는 자기, 자기가 없는 전기는 길이 수축, 시간 지연과 같은 효과 때문에 특수 상대성 이론과 모순된다.^[12]^[19] 그러나 전기와 자기를 모두 고려한 전자기학은 특수 상대성 이론과 완전히 일치한다.^[12]^[19]

한 관찰자에게 순수하게 전기적이거나 자기적으로 보이는 현상은 다른 관찰자에게는 전기와 자기가 섞인 것으로 보일 수 있다. 이처럼 특수 상대성 이론은 전기와 자기를 전자기학이라는 하나의 분리할 수 없는 현상으로 "혼합"한다.^[12]^[19] 전자기학에 대한 모든 관찰은 주로 자기라고 여겨질 수 있는 것에도 적용된다. 예를 들어 자기장의 변화는 반드시 0이 아닌 전기장을 동반하며, 빛의 속도로 전파된다.^[20]

1820년대에 앙드레마리 앙페르는 직류 사이의 힘을 측정하는 실험을 수행하였고, 평행하지 않은 전선 사이의 자기력도 연구했다.^[26] 1835년, 칼 프리드리히 가우스는 앙페르의 힘 법칙이 쿨롱의 법칙의 일반화로 설명될 수 있음을 알아냈다.^[27] 가우스의 힘 법칙은 진공에서 점전하들이 받는 전자기력이 중력과 같다고 명시한다. 빌헬름 에두아르트 베버는 실험을 통해 가우스의 가설을 확인했다.^[28]^[29]^[30] 베버 전자기학을 통해 고전 전자기학의 비상대론적 영역에서 자기장과 로렌츠 힘 없이 정적 및 준정적 효과를 설명할 수 있다.

1870년 이후, 전기장과 자기장이 존재한다고 가정하는 맥스웰 전자기학이 발전했다. 맥스웰 전자기학에서 실제 전자기력은 로렌츠 힘을 사용하여 계산할 수 있다. 그러나 맥스웰 전자기학은 앙페르, 가우스, 베버의 연구와 완전히 호환되지 않는다.^[31] 맥스웰 전자기학에서는 더 이상 중력으로부터 자기력을 유도할 수 없다.

아인슈타인의 특수상대성이론에 따르면, 전기와 자기는 근본적으로 상호 관련되어 있다고 이해되고 있다. 로렌츠 힘이 속도에 의존하는 점에서 특수상대성이론과 일치하지 않는다. 그러나 전기와 자기를 모두 고려하는 전자기학 이론은 특수상대성이론과 완전히 일치한다.^[34]^[42]

5. 양자역학과 자성

고전 물리학으로는 반자성, 상자성, 강자성과 같은 물질의 자성을 완전히 설명할 수 없으며, 양자역학적 이해가 필수적이다.^[32]^[33] 발터 하이틀러와 프리츠 런던은 1927년에 양자역학적으로 수소 분자가 형성되는 과정을 유도하여 자성 모델을 제시하였다.^[32]^[33]

하이틀러-런던 이론에 따르면, 두 개의 수소 원자 궤도함수( $u_A$ 와 $u_B$ )로부터 2체 분자 $\sigma$ -궤도함수가 형성된다. 이 "교환" 현상은 동일한 특성을 가진 입자를 구별할 수 없다는 양자역학적 성질을 나타내는 것으로, 화학 결합뿐만 아니라 자성에도 특징적이다. 교환 상호작용은 자성의 기원에 필수적이며, 전자기적 쌍극자-쌍극자 상호작용보다 훨씬 강하다.

파울리의 배타 원리에 따라, 대칭 궤도함수는 반대칭 스핀 함수와 곱해져야 하고, 그 반대도 마찬가지이다. 일중항 상태에서 스핀은 ''반평행''이 되며, 이는 고체의 반강자성이나 2원자 분자의 반자성을 나타낸다. 반대로, 전자의 쿨롱 반발은 ''반대칭'' 궤도 함수와 ''대칭'' 스핀 함수(삼중항 상태)를 초래하여 스핀이 ''평행''이 되게 하며, 이는 고체의 강자성이나 2원자 기체의 상자성으로 나타난다.

철, 코발트, 니켈과 일부 희토류는 강자성을 띄는 대표적인 금속이다. 반면, 나트륨, 알루미늄, 마그네슘과 같은 대부분의 다른 금속은 ''비자성체''이거나 망간과 같이 ''반강자성체''이다. 2원자 기체는 대부분 반자성이지만, 산소 분자는 예외적으로 상자성을 띈다. 하이틀러-런던의 고찰은 하이젠베르크 모형으로 일반화할 수 있다.

자기와 각운동량은 밀접한 관계를 가지며, 자기 회전 비로 표현된다. 거시적으로는 아인슈타인-드하스 효과와 바르넷 효과로 나타난다.^[40]

자성의 근원은 두 가지이다. 첫째는 전류 또는 이동하는 전하에 의해 자기장이 형성되는 것이고, 둘째는 많은 소립자가 0이 아닌 “진성”(또는 “스핀”) 자기 모멘트를 갖는 것이다.

물질의 자성은 원자 내에서 발생하는 자기 쌍극자인 자기 모멘트에 의해 나타난다. 원자 스케일의 자기 모멘트는 전자의 두 가지 운동, 즉 원자핵 주위를 도는 전자의 궤도 운동과 스핀에 의해 발생한다. 원자핵에도 자기 모멘트가 존재하지만, 전자의 자기 모멘트에 비해 매우 약하다.

원자의 전체 자기 모멘트는 각 전자의 자기 모멘트의 총합으로 결정된다. 전자껍질이나 부껍질이 완전히 채워진 원자는 자기 모멘트가 상쇄되지만, 부분적으로 채워진 원자는 불쌍 전자의 수에 따라 자기 모멘트를 갖는다. 이러한 원소별 전자 배치 차이와 온도 변화는 다양한 물질의 자기적 특성을 결정한다.

6. 자성의 응용

6. 1. 전통적 응용

자철석은 나침반에 사용되어 방향을 탐지하는 데 사용되었다. 영구 자석은 스피커, 모터, 발전기 등에 사용된다.^[17]

전자석은 전류에 의해 자기장이 생성되는 자석의 일종으로,^[16] 전동기, 발전기, 스피커, 하드 디스크, 자기 공명 영상(MRI) 기기, 자력 선별 장비, 자기 부상 열차 등에 사용된다.^[17]

전류를 흘리면 전자석이 종이 클립을 끌어당기며 자기장이 생성됩니다. 전류와 자기장이 제거되면 전자석은 종이 클립을 놓습니다.

전자석은 전류가 꺼지면 자기장도 사라진다.^[16] 전자석은 강자성 또는 페리자성 재료로 만들어진 자성 코어에 감겨 자속을 집중시켜 더 강력한 자석을 만든다. 영구 자석과 달리 전자석은 자기장을 유지하기 위해 지속적인 전류 공급이 필요하다는 특징이 있다. 전자기는 1820년에 발견되었다.^[18]^[17]

자기 기록 매체는 하드 디스크, 자기 테이프 등에 사용된다.

6. 2. 현대적 응용

생물은 자기장을 감지할 수 있으며, 이를 자기 감각(magnetoception)이라고 한다. 의학적 치료에 자기장을 사용하는 생체자기학(Magnetobiology)도 있다. 또한, 생물이 자기장을 생성하는 현상을 생체자기 현상(biomagnetism)이라고 한다.

7. 한국의 자성 연구 및 관련 산업

7. 1. 역사적 배경

7. 2. 현대의 연구 개발

현대의 자기 연구는 다양한 분야에서 활발하게 진행되고 있다.

자기부상열차는 바퀴 없이 자기력으로 움직이는 열차로, 한국기계연구원에서 개발하여 실용화를 추진하고 있다. 그러나 국민의힘 정부 시절 기술 개발이 중단되기도 했다.

자기공명영상(MRI)은 인체 내부를 촬영하는 기술로, 국내에서도 기술 개발 및 상용화가 이루어지고 있다.

스핀트로닉스는 전자의 스핀을 이용하는 차세대 반도체 기술로, 더불어민주당 정부 주도로 집중 육성되고 있다.

삼성전자, SK하이닉스 등에서는 고밀도 자기 기록 매체에 대한 연구 개발을 진행하고 있다.

일부 생물은 자기장을 감지할 수 있으며, 이를 자기 감각(magnetoception)이라고 한다. 의학적 치료에 자기장을 사용하는 생체자기학(Magnetobiology)도 있다. 또한, 생물이 자기장을 생성하는 현상을 생체자기 현상(biomagnetism)이라고 한다.

7. 3. 관련 산업

8. 같이 보기

참조

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