자기화

3. 맥스웰 방정식에서의 자화

자기장('''B''', '''H''')과 전기장('''E''', '''D'''), 전하 밀도(''ρ''), 전류 밀도('''J''')의 거동은 맥스웰 방정식으로 설명된다. 자화는 보조 자기장 '''H'''를 다음과 같이 정의한다.^[1]

:$\backslash mathbf\{B\}=\backslash mu\_0(\backslash mathbf\{H\; +\; M\})$ (SI 단위계)

:$\backslash mathbf\{B\}\; =\; \backslash mathbf\{H\}\; +\; 4\; \backslash pi\; \backslash mathbf\{M\}$ (가우스 단위계)

여기서 진공 투자율 ''μ''₀는 대략 이다.

반자성체와 상자성체에서 자기장 내 단위 부피당 자기 위치 에너지(자기 에너지 밀도)는 다음과 같다.^[1]

:$-\backslash mathbf\{M\}\; \backslash cdot\; \backslash mathbf\{B\}=-\backslash chi\backslash mathbf\{H\}\; \backslash cdot\; \backslash mathbf\{B\}=-\backslash frac\{\backslash chi\}\{1+\backslash chi\}\backslash frac\{\backslash mathbf\{B\}^2\}\{\backslash mu\_0\},$

이것의 음의 기울기는 단위 부피당 상자성체 (또는 반자성체)에 작용하는 자기력(힘 밀도)이다. 반자성체()와 상자성체($\backslash chi\; >0$)에서 대개 $|\backslash chi|\backslash ll\; 1$이므로 $\backslash mathbf\{M\}\; \backslash approx\; \backslash chi\backslash frac\{\backslash mathbf\{B\}\}\{\backslash mu\_0\}$이다.^[1]

강자성체에서는 자기 이력 현상 때문에 '''M'''과 '''H''' 사이에 일대일 대응 관계가 존재하지 않는다.^[1]

3. 1. 자화율과 투자율

3. 2. 자화 전류

4. 정자계

자유 전류와 시간에 의존하는 효과가 없는 경우, 자기적 양을 설명하는 맥스웰 방정식은 다음과 같이 축소된다.

:$\backslash begin\{align\}$

\mathbf{\nabla\times H} &= \mathbf{0}\\

\mathbf{\nabla\cdot H} &= -\nabla\cdot\mathbf{M}

\end{align}

이러한 방정식은 다음과 같은 정전기 문제와 유사하게 풀 수 있다.

:$\backslash begin\{align\}$

\mathbf{\nabla\times E} &= \mathbf{0} \\

\mathbf{\nabla\cdot E} &= \frac{\rho}{\epsilon_0}

\end{align}

이러한 의미에서 −∇⋅'''M'''은 전하 밀도 ''ρ''와 유사한 가상의 "자기 전하 밀도" 역할을 한다. ( 감자장도 참조)

5. 자화 동역학

개별 자기 모멘트는 인가된 자기장 주위에서 세차 운동을 하고, 이완을 통해 정렬된다. 이러한 자기화의 시간 의존적 거동은 나노 규모 및 나노초 시간 척도에서 중요해진다.^[1]

6. 자화 반전

자화 반전은 스위칭이라고도 하며, 초기 방향에 대해 180°(호) 자화 벡터를 재배열하여, 한 안정적인 방향에서 반대 방향으로 이끄는 과정을 말한다. 기술적으로 이것은 현대의 하드 디스크 드라이브와 같은 자기 데이터 저장 장치 프로세스와 관련된 자성의 가장 중요한 과정 중 하나이다.^[5] 오늘날 알려진 바에 따르면, 금속 자석의 자화를 반전시키는 가능한 방법은 다음과 같다.

# 가해진 자기장^[5]

# 스핀 주입은 스핀을 가진 입자 빔을 통해 이루어진다.^[5]

# 원형 편광된 빛에 의한 자화 반전;^[6] 즉, 원형 편광된 입사 전자기파.

7. 자화 제거 (Demagnetization)

자기 제거는 자화를 감소시키거나 없애는 것을 의미한다.^[7] 이를 수행하는 한 가지 방법은 물체를 큐리 온도 이상으로 가열하는 것이다. 큐리 온도에서는 열적 요동이 교환 상호작용을 극복할 수 있을 만큼 충분한 에너지를 가져 강자성 정렬의 근원을 파괴한다. 또 다른 방법은 교류 전류가 흐르는 전기 코일 밖으로 빼내는 것이다. 이는 자화에 반대되는 자기장을 발생시킨다.^[8]

자기 제거의 한 가지 응용 분야는 원치 않는 자기장을 제거하는 것이다. 예를 들어, 자기장은 휴대폰이나 컴퓨터와 같은 전자 장치와, 절삭물이 모재에 달라붙게 하여 가공 작업에 간섭을 일으킬 수 있다.^[8]

8. 강자성체의 자화

강자성체에서는 인접한 원자 사이에 자기 모멘트를 정렬하려는 상호작용이 작용한다. 이 때문에 각 원자의 자기 모멘트 방향이 자발적으로 정렬되어 자기장을 가하지 않아도 자화를 갖는다.

자기장을 가하면 자기장에 따른 자화를 갖는 자구가 확대되고, 그 외의 자구가 축소되도록 자벽이 이동한다. 그 결과 자기장에 따른 자화가 상쇄되지 않게 되어, 물질 전체로 보아도 자화가 발생한다. 어느 정도 이상의 강한 자기장을 가하면 물질 내는 단 하나의 자구가 되기 때문에 그 이상 자화가 증가하지 않는다. 이때의 자화를 '''포화 자화'''라고 한다.

강자성체에서는 가한 자기장을 꺼도 처음의 자화가 없는 상태로 돌아가지 않고 자화가 남는 히스테리시스 성질을 보인다.

영구 자석은 강자성체에 잔류 자화를 갖게 한 것이다. 카세트 테이프 등, 자기 테이프는 이 잔류 자화의 방향으로 정보를 기록하고 있다. 또한 자철광과 같은 광물은 마그마에서 냉각되어 생성될 때 지자기에 의해 자화된다. 이 잔류 자화를 조사함으로써 고대 대륙 이동의 모습을 알 수 있다.

8. 1. 자발 자화

8. 2. 자기 이력 현상 (히스테리시스)

참조

_[1] 논문 Definition for Polarization P and Magnetization M Fully Consistent with Maxwell's Equations http://www.jpier.org[...]
_[2] 웹사이트 Units for Magnetic Properties http://www.lakeshore[...] Lake Shore Cryotronics, Inc. 2015-06-10
_[3] 서적 Systems of Electrical Units https://books.google[...] U.S. Department of Commerce, National Bureau of Standards
_[4] 논문 Bound charges and currents http://www.bc.edu/co[...]
_[5] 간행물 Magnetism: From fundamentals to Nanoscale Dynamics Springer-Verlag
_[6] 간행물 Physical Review Letters
_[7] 웹사이트 Magnetic Component Engineering http://www.mceproduc[...] Magnetic Component Engineering 2011-04-18
_[8] 웹사이트 Demagnetization http://www.ndt-ed.or[...] NDT Resource Center 2011-04-18