HSC 물리: 자성 물질과 강자성 물질 이해하기

자석은 강철 종이 클립에는 강하게 달라붙지만, 구리 동전에는 거의 반응하지 않습니다. 그렇다면 강철은 자석이고 구리는 “비자성” 물질일까요? 꼭 그렇지는 않습니다. 종이 클립은 그 자체가 영구 자석이 아니어도 강하게 끌릴 수 있습니다.

계속 읽기 전에, 영구 자석의 N극을 자화되지 않은 철못에 가까이 가져가면 어떤 일이 일어날지 예측해 보세요. 철못은 끌릴까요, 밀려날까요, 아니면 아무 영향도 받지 않을까요?

철못은 끌립니다. 더 놀라운 것은 자석을 뒤집어 S극을 가까이 가져가도 철못이 끌린다는 점입니다. 그 이유를 이해하려면 서로 혼동하기 쉬운 세 가지 개념인 자석, 자성 물질, 강자성 물질을 구분해야 합니다.

01자석과 자성 물질은 같은 것이 아니다

먼저 가장 간단하면서도 유용한 구분부터 살펴봅시다.

자석은 자체적으로 거시적인 자기장을 만듭니다. 영구 막대자석은 주변에 다른 자석이 전혀 없어도 자기장을 만듭니다.

자성 물질은 자기장 속에 놓였을 때 자기적 거동이 변하는 물질입니다. 학교 물리에서는 이 표현을 자석에 강하게 반응하는 물질을 가리키는 의미로 다소 넓게 사용하는 경우가 많습니다.

강자성 물질은 외부 자기장에 매우 강하게 반응하고 자화될 수 있는 특정 종류의 자성 물질입니다. 대표적인 예로 철, 코발트, 니켈과 이들을 포함한 여러 합금이 있습니다.

이를 바탕으로 다음과 같은 중요한 판단 기준을 세울 수 있습니다.

이 표에는 더 깊은 물리가 숨어 있습니다. 엄밀히 말하면 거의 모든 물질은 자기장에 어느 정도 반응합니다. 그러나 강한 자기적 인력과 자화를 다루는 HSC 문제에서는 보통 강자성이 가장 중요한 범주입니다.

따라서 “강자성이 아니다”라는 말이 “물리적으로 어떤 자기 현상도 전혀 일어나지 않는다”는 뜻은 아닙니다. 여기서 공부하는 강한 자기 도메인 기반의 거동을 나타내지 않는다는 뜻입니다.

02강자성체는 무엇이 다른가?

철 막대를 계속해서 더 작은 조각으로 잘라 간다고 상상해 봅시다. 어느 정도 작아지면 일상적으로 생각하는 작은 철 조각이라는 그림은 더 이상 유용하지 않습니다. 원자 규모에서는 전자가 원자에 자기적 성질을 부여합니다.

강자성 물질에서는 이웃한 원자 사이의 상호작용 때문에 많은 원자의 자기 모멘트가 같은 방향으로 정렬됩니다. 많은 수의 정렬된 자기 모멘트를 포함하는 영역을 자기 도메인이라고 합니다.

학교 운동장을 작은 화살표를 들고 있는 여러 무리의 사람들로 나누었다고 생각해 봅시다. 같은 무리 안의 사람들은 모두 같은 방향으로 화살표를 가리키지만, 서로 다른 무리는 서로 다른 방향을 가리킵니다.

각 무리가 모든 방향으로 흩어져 있다면 그 효과는 대부분 서로 상쇄됩니다. 운동장 전체에는 뚜렷하고 강한 전체 방향이 없습니다.

이것이 대략 자화되지 않은 강자성체에서 일어나는 일입니다. 그 안에는 이미 자기 도메인이 존재합니다. 단지 각 도메인이 배열된 방식 때문에 물체 전체의 순자화가 거의 없거나 전혀 없는 것입니다.

하지만 이 비유에는 한계가 있습니다. 자기 도메인은 독립적으로 회전하는 작은 나침반 바늘 무리와 문자 그대로 같은 것은 아닙니다. 도메인의 거동은 원자 자기 모멘트 사이의 양자역학적 상호작용에서 비롯되며, 자화 과정에서는 자기 모멘트의 방향이 변할 뿐 아니라 도메인 경계가 이동하는 경우도 많습니다.

03자화되지 않은 강자성체에도 자기적 영역은 존재한다

이 부분은 자주 빠지는 함정입니다.

학생은 다음과 같이 생각할 수 있습니다.

철못이 자화되지 않았다면, 그 안의 원자들은 아직 자석처럼 행동하고 있지 않은 것이 분명하다.

철못이 영구 막대자석처럼 행동하지 않기 때문에 그럴듯하게 느껴질 수 있습니다. 하지만 여기서 빠진 핵심 개념은 상쇄입니다.

철못에는 자기적으로 정렬된 도메인이 많이 존재하면서도 전체 자기 모멘트는 거의 0일 수 있습니다. 한 도메인은 한쪽 방향을 가리키고 다른 도메인은 다른 방향을 가리켜, 각각의 기여가 대부분 서로 상쇄되기 때문입니다.

외부 자기장이 가해지면 이러한 균형이 달라집니다.

가해진 자기장과 유리한 방향으로 자화된 도메인은 커지는 경향이 있고, 다른 도메인은 작아집니다. 자기 모멘트도 자기장 방향을 향해 회전할 수 있습니다.

그 결과 더 큰 순자화가 생깁니다.

따라서 외부 자기장이 아무것도 없는 상태에서 강자성을 새로 만들어 내는 것은 아닙니다. 이미 물질 안에 존재하던 자기적 질서의 배열을 바꾸는 것입니다.

04철못이 어느 극에도 끌리는 이유

처음에 했던 예측으로 돌아가 봅시다.

영구 자석의 N극을 자화되지 않은 철못 가까이에 가져간다고 합시다.

자석의 자기장 때문에 철못에는 유도 자화가 일어납니다. 자석과 가까운 쪽 끝은 S극처럼 행동하고, 더 먼 쪽 끝은 N극처럼 행동합니다.

가까이에 있는 서로 반대인 극끼리는 강하게 끌어당깁니다. 더 멀리 있는 같은 극끼리도 반발 상호작용을 일으키지만 서로 더 멀리 떨어져 있으므로 가까운 쪽의 인력이 우세합니다.

영구 자석을 뒤집어 보세요. 철못의 유도 자화 방향도 함께 반대로 바뀝니다. 이제 S극에 가장 가까운 철못의 끝이 N극처럼 행동합니다.

철못은 여전히 끌립니다.

이를 통해 중요한 사실을 알 수 있습니다.

서로 끌린다는 사실만으로 두 물체가 상호작용하기 전부터 모두 자석이었다고 결론 내릴 수는 없습니다.

한쪽은 영구 자석일 수 있고, 다른 쪽은 단지 첫 번째 물체의 자기장 속에서 자화되고 있는 강자성 물질일 수 있습니다.

예: 종이 클립에서는 무슨 일이 일어나는가?

강철 종이 클립 하나는 처음에는 다른 종이 클립을 들어 올릴 수 없습니다. 그런데 그 한쪽 끝을 강한 영구 자석에 대고 있으면, 반대쪽의 자유로운 끝으로 두 번째 종이 클립을 들어 올릴 수 있습니다.

첫 번째 종이 클립이 외부 자기장에 의해 자화된 것입니다. 도메인들이 더 강하게 정렬되면서 종이 클립에 순자기장이 생깁니다.

그러면 두 번째 종이 클립 역시 유도 자화될 수 있습니다.

이 때문에 하나의 자석 아래에 종이 클립 여러 개가 사슬처럼 매달릴 수 있습니다. 영구 자석이 어떤 물질처럼 “자기”를 사슬 아래로 보내는 것이 아닙니다. 각각의 강자성 물체가 주변 자기장에 반응하고 있는 것입니다.

05영구 자화는 자기장을 제거한 뒤 어떤 일이 일어나는지에 달려 있다

이제 외부 자석을 제거한다고 상상해 봅시다.

도메인에는 반드시 어떤 일이 일어나야 할까요? 모두 즉시 원래의 배열로 돌아갈까요?

반드시 그렇지는 않습니다.

일부 강자성 물질은 외부 자기장이 사라지면 유도된 자화의 대부분을 잃습니다. 다른 물질은 상당한 정렬 상태를 유지하여 계속 자화된 상태로 남습니다.

이를 통해 연자성 강자성 물질과 경자성 강자성 물질을 구분할 수 있습니다.

여기서 “연성”과 “경성”은 물질이 실제로 만졌을 때 부드럽거나 단단한지를 뜻하는 것이 아니라 자기적 거동을 나타냅니다.

예: 두 장치에 사용할 재료 선택하기

두 가지 장치를 설계한다고 가정해 봅시다.

첫 번째는 전류가 흐를 때 강한 자성을 띠고, 전류를 끄면 들어 올린 물체를 놓아야 하는 전자기식 인양 장치입니다.

두 번째는 전력 공급 없이도 지속적으로 자기장을 제공해야 합니다.

인양 장치에는 연자성 강자성 철심이 유용합니다. 외부 자기장이 존재할 때 도메인이 쉽게 반응하지만, 그 자기장이 사라지면 자화의 상당 부분도 함께 사라집니다.

두 번째 장치에는 자화 자기장을 제거한 뒤에도 상당한 도메인 정렬을 유지할 수 있는 경자성 물질이 필요합니다. 그래야 영구 자석처럼 행동할 수 있습니다.

따라서 강자성이라는 동일한 큰 범주의 현상도 도메인 배열이 얼마나 쉽게 변하는지에 따라 매우 다른 유용한 특성을 만들어 낼 수 있습니다.

06전자석은 이 그림에서 어디에 해당하는가?

자석이 반드시 영구적으로 자화된 강자성 물질 조각일 필요는 없습니다.

전류는 자기장을 만듭니다. 따라서 전류가 흐르는 코일은 철심이 없어도 전자석처럼 작용할 수 있습니다.

강자성 철심을 추가하면 자기 효과를 훨씬 강하게 만들 수 있습니다. 코일의 자기장이 철심을 자화하여 더 많은 도메인이 정렬되도록 합니다.

여기에는 학생들이 때때로 하나로 혼동하는 두 가지 서로 다른 과정이 있습니다.

• 전류가 코일 주위에 자기장을 만든다
• 강자성 철심이 그 자기장에 반응하여 자화된다

철이 코일 자기장의 최초 원인이 아닙니다. 원인은 전류입니다. 철은 강자성 반응을 통해 결과적으로 만들어지는 자기장을 변화시킵니다.

07비슷하게 들리지만 의미가 다른 네 가지 표현

다음 표현들은 정확히 구분해 둘 필요가 있습니다.

“이 물체는 자석이다.”
상당한 외부 자기장을 만들어 낼 만큼 큰 순자기 모멘트를 가지고 있습니다.

“이 물질은 강자성 물질이다.”
원자의 자기 모멘트가 도메인을 형성할 수 있으며, 가해진 자기장에 강하게 반응할 수 있습니다.

“이 물체는 자화되지 않았다.”
도메인이 물체 전체에서 자기적 효과가 대부분 서로 상쇄되도록 배열되어 있습니다.

“이 물체는 자화되었다.”
도메인이 충분히 정렬되어 물체에 0이 아닌 순자화가 생겼습니다.

따라서 한 물체는 동시에 강자성이면서 자화되지 않은 상태일 수 있습니다.

이 한 문장이 이 주제에서 가장 흔한 오해 중 하나를 해결해 줍니다.

08자석이 모든 금속을 끌어당기는 것은 아니다

또 하나의 유혹적인 단순화는 다음과 같습니다.

금속 = 자성을 띰

하지만 이는 맞지 않습니다.

철, 코발트, 니켈과 이들을 포함한 많은 물질은 강한 강자성 거동을 나타낼 수 있습니다. 구리는 그렇지 않습니다. 알루미늄도 일반적인 HSC 실험실 조건에서는 강자성체처럼 행동하지 않습니다.

따라서 어떤 물질이 “금속”이라는 사실만으로 영구 자석이 그것을 강하게 끌어당길지 예측할 수는 없습니다.

강철이라는 말조차 약간의 주의가 필요합니다. 강철은 철을 기반으로 한 합금이지만, 정확한 자기적 성질은 조성과 구조에 따라 달라집니다. 일반적인 HSC 문제에서는 문제에서 달리 판단할 정보를 주지 않는 한 흔한 철과 강철 물체를 강자성으로 취급하는 경우가 많습니다.

따라서 더 좋은 질문은 다음이 아닙니다.

“금속인가?”

대신 이렇게 물어야 합니다.

“이 물질은 강자성인가, 그리고 현재 어떤 자화 상태에 있는가?”

09문제와 풀이

문제 1

영구 자석이 이전에 자화된 적이 없는 철 와셔를 강하게 끌어당깁니다.

이 인력은 와셔가 이미 자석이었다는 사실을 증명합니까? 자석이 가까워질 때 와셔에 어떤 일이 일어나는지 설명하세요.

풀이 1

아니요. 인력이 있다는 사실만으로 와셔가 이미 자석이었다고 볼 수는 없습니다.

철은 강자성이므로 영구 자석의 자기장이 와셔 내부의 자기 도메인 배열을 변화시킵니다. 그 결과 와셔에 유도된 순자화가 생깁니다.

영구 자석에 가장 가까운 와셔 부분에는 영구 자석의 가까운 극과 반대되는 자기극이 생깁니다. 그 결과 가까운 쪽에서 생기는 인력이 더 먼 쪽이 관련된 상호작용보다 강합니다.

여기서의 함정은 인력이 이미 영구 자석이었던 두 물체 사이에서만 생길 수 있다고 가정하는 것입니다. 영구 자석은 처음에는 자화되지 않은 강자성 물체에도 자화를 유도하여 그것을 끌어당길 수 있습니다.

문제 2

작은 블록 세 개가 각각 철, 구리, 경자성 영구자석 합금으로 만들어져 있습니다. 그런데 라벨이 떨어져 나갔습니다.

블록 A는 혼자 놓여 있을 때도 측정 가능한 자기장을 만듭니다.

블록 B는 혼자 있을 때는 상당한 외부 자기장을 만들지 않지만, 영구 자석을 가까이 가져가면 강하게 끌립니다.

블록 C는 교실에서 관찰할 수 있는 정도로는 이 두 가지 거동을 모두 나타내지 않습니다.

A, B, C가 각각 어떤 물질일 가능성이 가장 높은지 밝히고 그 이유를 설명하세요.

풀이 2

A는 경자성 영구자석 합금, B는 철, C는 구리입니다.

블록 A는 다른 자기장이 가해지지 않아도 상당한 자기장을 만듭니다. 이는 영구 자석에서 예상되는 결정적인 관찰 결과입니다.

블록 B는 강하게 끌리지만 처음에는 상당한 외부 자기장을 만들지 않습니다. 이는 자화되지 않은 철의 특성과 일치합니다. 처음에는 도메인의 순정렬이 거의 없지만, 외부 자기장이 도메인을 재배열하여 강한 유도 자화를 만들어 낼 수 있습니다.

블록 C는 구리일 가능성이 가장 높습니다. 구리는 강자성 물질이 아니므로 철에서 예상되는 강한 인력과 도메인 정렬을 나타내지 않습니다.

핵심적인 차이는 이미 자화되어 있는 것과 강하게 자화될 수 있는 능력이 있는 것 사이의 차이입니다.

문제 3

두 개의 철 막대를 각각 전류가 흐르는 별도의 코일 안에 넣습니다. 막대 P는 전류가 흐르는 동안에는 강하게 자화되지만, 전류를 끄고 나면 자화가 거의 남지 않습니다. 막대 Q는 전류를 끈 뒤에도 강하게 자화된 상태로 남습니다.

어떤 장치가 자기장을 반복해서 켰다 껐다 해야 한다고 합시다.

어느 막대가 더 적합하며, 어떤 도메인 거동이 그 선택을 설명합니까?

풀이 3

막대 P가 더 적합합니다. 연자성 강자성 물질처럼 행동하기 때문입니다.

전류가 흐르는 동안 코일은 외부 자기장을 만듭니다. 막대 P의 도메인은 이에 강하게 반응하여 큰 순자화를 만들어 냅니다.

전류가 멈추면 그 정렬의 상당 부분이 사라지므로 막대에는 자화가 거의 남지 않습니다. 전류가 흐르지 않을 때 자기 작용도 꺼져야 하는 장치에 유용한 성질입니다.

막대 Q는 외부 자기장이 사라진 뒤에도 상당한 도메인 정렬을 유지합니다. 이러한 거동은 영구 자석에는 유용하지만, 장치가 반복해서 약하게 자화된 상태로 돌아가야 할 때는 덜 적합합니다.

중요한 점은 “자화된 상태를 더 쉽게 유지한다”는 것이 자동으로 “더 좋다”는 뜻은 아니라는 것입니다. 필요한 자기적 거동은 장치가 어떤 일을 해야 하는지에 따라 달라집니다.

문제 4

한 학생이 다음과 같이 말합니다.

자화되지 않은 철 막대에는 정렬된 원자 자기 모멘트가 있을 수 없다. 그렇지 않다면 그 막대는 이미 자석일 것이기 때문이다.

이 추론의 무엇이 잘못되었는지 정확히 설명하세요.

풀이 4

오류는 자기 도메인 내부의 국소적 정렬과 막대 전체의 순정렬을 혼동한 데 있습니다.

각 자기 도메인 내부에서는 많은 원자 자기 모멘트가 이미 정렬되어 있습니다. 그러나 자화되지 않은 막대에서는 서로 다른 도메인이 서로 다른 방향을 가리킬 수 있습니다.

그러면 각 도메인의 기여가 대부분 서로 상쇄되어 막대 전체의 순자화가 거의 없거나 전혀 없게 됩니다.

외부 자기장을 가하면 도메인 배열이 달라집니다. 자기장과 유리하게 정렬된 도메인은 커질 수 있고, 자기 모멘트도 자기장 방향으로 회전할 수 있습니다. 그 결과 상쇄가 덜 완전해지고 막대에 순자기 모멘트가 생깁니다.

따라서 강하게 자화된 막대에 상당한 전체적 정렬이 필요하다는 학생의 생각은 맞지만, 자화되지 않은 막대에는 국소적인 자기적 질서가 전혀 없다고 생각한 것은 잘못입니다.

문제 5

영구 자석의 N극을 처음에는 자화되지 않은 철 막대의 왼쪽 끝 가까이에 둡니다. 철 막대는 자석 쪽으로 끌립니다.

한 학생은 다음과 같이 설명합니다.

자석은 막대의 왼쪽 끝을 S극으로 만들고 오른쪽 끝을 N극으로 만든다. S극은 끌리고 N극은 밀리므로 두 힘은 상쇄되어 막대가 움직이지 않아야 한다.

그러나 실제로는 이러한 상쇄가 일어나지 않습니다. 그 이유를 설명하세요.

풀이 5

인력과 척력이 영구 자석으로부터 서로 다른 거리에서 작용하기 때문에 두 힘은 상쇄되지 않습니다.

외부 자기장이 철 막대를 자화합니다. 영구 자석의 N극에 더 가까운 왼쪽 끝은 대략 유도된 S극처럼 행동합니다. 오른쪽 끝은 대략 N극처럼 행동합니다.

왼쪽 끝에는 인력이 작용하고, 더 멀리 있는 오른쪽 끝에는 척력에 해당하는 상호작용이 있습니다. 그러나 자기적 상호작용은 거리가 증가할수록 약해집니다. 따라서 가까운 쪽 끝에서의 인력이 더 먼 쪽 끝과 관련된 반대 방향의 상호작용보다 더 강합니다.

따라서 알짜힘은 영구 자석 쪽을 향합니다.

여기서의 함정은 유도된 두 극을 마치 크기가 같고 방향이 반대인 힘이 자동으로 상쇄되는 것처럼 취급하는 것입니다. 자기극의 세기가 같더라도 거리와 자기장 세기가 다르면 힘이 같다고 보장할 수 없습니다.

문제 6

한 학생이 강자성 물질 조각이 영구 자석이 되었음을 증명하려고 합니다. 학생은 알려진 영구 자석을 그 물질 가까이에 가져가 강한 인력이 생기는 것을 관찰합니다.

왜 이 관찰만으로는 충분하지 않습니까? 영구 자화와 단순한 유도 자화를 구별하려면 어떤 종류의 증거가 필요합니까?

풀이 6

강한 인력만으로는 충분하지 않습니다. 자화되지 않은 강자성 물체도 유도 자화로 인해 끌릴 수 있기 때문입니다.

알려진 자석이 가까워지면 그 자기장이 시험 대상 물체 내부의 도메인을 정렬시킬 수 있습니다. 따라서 그 물체가 원래는 순자화가 거의 없었더라도 일시적으로 자화되어 강한 인력을 받을 수 있습니다.

외부 자기장을 제거한 뒤에도 자화가 유지된다는 증거가 더 유용합니다. 예를 들어, 처음 그 물체를 자화시킨 자석으로부터 분리한 상태에서 지속적인 자기장이 존재하는지 시험할 수 있습니다.

특히 중요한 개념은 외부 자기장이 존재할 때의 거동만으로는 그 자기장이 사라진 뒤 어떤 일이 일어날지 알 수 없다는 것입니다. 이 차이는 강자성 물질이 가해진 자기장이 변하고 제거될 때 어떻게 반응하는지를 설명하는 자기 히스테리시스, 잔류성, 보자력 개념으로 직접 이어집니다.