[무기화학개론]자성체(Magnetic properties)

강자성(Ferromagnetism)

소수의 결정성 물질들은 강자성(Ferromagnetism)으로 부르는 강한 자기적 성질을 보여준다. 강자성 물질로는 철, 코발트, 니켈, 가돌리늄, 디스포르슘 등이 있다. 이런 물질들은 약한 외부 자기장에도 평행하게 정렬하려는 영구 원자 자기모멘트를 갖는다. 자기 모멘트가 정렬하면 이들 물질은 외부 자기장이 제거된 후에도 자기화 된 상태를 유지한다. 이러한 영구적인 정렬은 이웃하는 자기 모멘트 사이의 강한 결합 때문이며, 양자 역학으로만 이해될 수 있다.

모든 강자성체는 그 안에 있는 모든 자기 쌍극자 모멘트들이 정렬되어 있는 구역이라고 하는 미시적 영역을 포함한다. 다른 방향으로 정렬된 구역들 사이의 경계를 구역벽(domain wall)이라고 한다. 자기화 되지 않은 물질은 구역 내의 자기 모멘트가 임의의 방향으로 정렬되어 있기 때문에, 알짜 자기 모멘트는 영이다.

강자성체의 온도가 퀴리 온도(Curie temperature)라고 하는 임계 온도에 도달하거나 넘어가면 물질은 잔류 자기화를 잃고 상자성체가 된다. 퀴리 온도 아래에서는 자기 모멘트가 정렬되어서 물질은 강자성체이다. 퀴리 온도 이상에서는 열운동이 매우 커서 자기 모멘트의 방향이 불규칙하게 되어 물질은 상자성체가 된다.

퀴리 온도

 

상자성(Paramagnetism)

상자성체는 영구 자기 모멘트를 갖는 원자(또는 이온)를 갖고 있기 때문에 작은 자기장을 갖는다. 이러한 자기 모멘트는 서로 약하게 상호 작용해서 외부 자기장이 존재하지 않으면 불규칙한 방향을 향한다. 상자성체가 외부 자기장에 놓이면 물질의 원자 모멘트는 자기장에 따라서 정렬한다. 그러나 이러한 정렬 과정은 자기 모멘트 방향을 불규칙하게 하려는 열적 운동과 겨루어야 한다.

상자성은 열운동 등에 의한 난잡한 스핀 배향 때문에 스핀배열이 없고 자화를 나타내지 않는 상태. 밖으로부터 자기장을 작용시킬 때 자기장에 비례하는 약한 자기 모멘트가 자기장 방향으로 생기는 성질. 이와 같은 자성을 나타내는 물질을 상자성체라 한다. 상자성체는 미소한 자기 모멘트를 가진 원자나 이온을 함유하고 있는 물질이다. 

이 미소한 자기 모멘트의 방향은 열운동 때문에 제각기 흩어지지만 외부에서 작용하는 자기장이 있으면 평균적으로 자기장의 방향을 향한다. 그 결과 물질은 상자성을 나타내게 된다. 온도가 높아지면 열운동이 활발해져 자기 모멘트의 방향은 가지런해지기 어렵게 된다. 이 때문에 자화의 값은 절대온도에 반비례하여 감소한다. 또 강자성체도 퀴리온도 이상에서는 상자성을 나타낸다.

 

반자성(Diamagnetism)

물질이 나타내는 자성의 하나. 외부에서 자기장을 작용시키면 자기장에 비례하는 약한 자기 모멘트가 자기장과 반대 방향으로 생기는 성질이다. 원자 속의 전자는 닫힌 궤도를 따라 운동하므로 밖에서 자기장을 작용시키면 마치 코일의 경우처럼 전자 유도의 법칙에 의해 전자의 운동이 변화하여 외부자기장과 반대 방향의 자기 모멘트가 생긴다. 이것이 반자성의 원인이다. 반자성은 모든 물질에 있으며 상자성체에서는 그것과 반대 방향의 강한 상자성으로 가려진다. 상자성을 가지지 않아 반자성만이 나타나는 물질을 반자성체라 한다.

반자성

초전도 상태에서는 큰 반자성 전류가 계속 흐를 수 있고 초전도체 속에는 자기력 선속은 전혀 들어갈 수 없다. 이 성질을 완전반자성이라 한다.

외부 자기장이 반자성체에 걸리면, 약한 자기 모멘트가 자기장과 반대 방향으로 유도된다. 이 때문에 반자성체가 자석에 의해서 약하게 반발하게 된다. 비록 반자성이 모든 물질에 존재한다 하더라도 그 효과는 상자성과 강자성에 비해 매우 작고 그와 같은 다른 효과들이 존재하지 않을 때만 분명하다.

초전도체를 통과하지 못하는 자력선

핵을 중심으로 한 궤도에서 서로 반대 방향으로 같은 속력으로 돌고 있는 원자 내의 두 전자의 고전 모형을 고려하면 반자성을 약간 이해할 수 있다. 전자는 양으로 대전된 핵에 의한 인력인 정전기력으로 원 궤도 운동을 유지한다. 이 두 전자의 자기 모멘트는 크기가 같고 방향이 반대이므로, 서로 상쇄되어 원자의 자기 모멘트는 영이다. 외부 자기장이 작용하면 자기력이 전자에 가해진다. 이 더해진 자기력은 정전기력과 결합하여 자기장에 반대 방향의 자기 모멘트를 갖는 전자의 궤도 속력을 증가시키고, 자기장과 같은 방향의 자기 모멘트를 갖는 전자의 궤도 속력을 감소시킨다. 그 결과 전자들의 두 자기 모멘트는 더 이상 상쇄되지 않아서 물질은 작용한 외부 자기장과 반대방향인 알짜 자기 모멘트를 얻는다.

어떤 초전도체는 초전도 상태에서 완벽한 반자성을 나타낸다. 그 결과 외부 자기장은 초전도체에 의해서 밖으로 밀려나가서 초전도체 내부의 자기장은 영이 된다. 이 현상을 마이스너 효과(Meissner effect)라고 한다. 만일 영구자석을 초전도체 근처로 가져가면 두 물체는 서로 민다.

마이스너 효과에 의한 초전도체의 공중부양