자화밀도와 자성체

자화밀도와 자성체

magnetization and magnetic substance

설명1

겉으로 봤을 때 자성이 없는 물체가 있다고 하자. 이 물체를 원자수준까지 자세히 들여다보자. 핵 주위를 도는 전자에 의해 미세한 전류가 생성되고 이는 자기 현상을 만들어낸다. 각각의 원자 마다 아주 작은 자기 쌍극자가 생기는 것이다. 하지만 원자들의 방향이 전부 제각각이기 때문에 이 쌍극자 모멘트들을 전부 더하면 $0$이다.

$$ \mathbf{m}_{\text{net}}=0 $$

그래서 거시적으로 보면 물체가 자성을 띄지 않는 것이다. 그런데 이 때 외부에 자기장이 있다면 각각의 쌍극자들이 같은 방향으로 정렬된다. 작은 쌍극자들이지만 전부 같은 방향을 향하게 되면 겉으로 드러나는 효과가 생긴다. 즉 물체에 자성이 생긴다는 뜻이다.

이렇게 외부 자기장에 의해 자기 쌍극자들이 정렬하여 물체가 자성을 띌 때 물체가 자화되었다magnetized고 한다. 외부 자기장에 의해 물체가 어떻게 영향을 받는지에 따라 물체를 세가지로 분류할 수 있다.

  • 쌍극자가 외부 자기장과 같은 방향으로 정렬하면 상자성체paramagnet
  • 쌍극자가 외부 자기장과 반대 방향으로 정렬하면 반자성체diamagnet
  • 외부 자기장이 사라져도 물체가 계속해서 자성을 띄면 강자성체ferromagnet

그런데 이렇게 자화되는 정도를 얘기하기에 쌍극자는 적절하지 않다. 너무 미시적이기 때문에 일일히 자기 쌍극자를 셀 수 없다. 따라서 편극밀도를 정의했던 것 처럼 자화밀도magnetization를 정의한다. 단위 부피당 자기 쌍극자 모멘트를 $\mathbf{M}$으로 표기한다.

$$ \mathbf{M} := \dfrac{\text{magnetic dipole moment}}{\text{unit volume}} $$

자화밀도 $\mathbf{M}$이 클수록 외부 자기장이 있을 때 물체가 강한 자성을 띈다.


  1. David J. Griffiths, 기초전자기학(Introduction to Electrodynamics, 김진승 역) (4th Edition1 2014), p285-293 ↩︎

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