[Lv1] 9장. 자성체와 자기회로 ① 자성체의 종류, 자화, 감자력, 자기차폐

안녕하세요!

9장 포스팅 시작하겠습니다

자성체와 자기회로에 대한 내용입니다

자성체라는 것은 말그대로

'자기적 성질을 가진 물체' 라고

보시면 됩니다

평소에는 자석이 아니지만

자계 안에서 있으면

N극,S극이 유도되서

자석인 것처럼 되는 물체라고 

이해하시면 됩니다

이 때 자석인 것처럼 되는 것을

자석화 된다고 하여 '자화' 라고 합니다

대표적인 게 철이죠

물질마다 자계 내에서

자기적 성질을 가지는 정도가 다릅니다

바꿔 말하면 '자화'되는 정도가 다른데

철처럼 자화가 잘되는 것이 있고

반대로 자화가 잘 안되는 물질도

존재합니다

물질마다 비투자율이 다르기 때문인데

비투자율이 크면 자석이 되려는 성질이 

강해집니다

* 비투자율($μ_s$)

투자율 $μ=μ_0 μ_s$ 입니다

투자율은 자하, 자기력선이 잘 투과되는 정도라고

보시면 됩니다

$μ_0$는 진공에서의 투자율로서 

진공에서 자하, 자기력선이 얼마나 잘 통과하는지를

나타내고 그 값은 $μ_0=4π×10^{-7}$입니다

각 물질의 투자율은 진공에서의 투자율과 비교해서

몇 배인지로 나타냅니다

어떤 물질의 투자율이 진공에서의 2배라면

$μ=2μ_0$로 나타내는 것이죠

이 때 2에 해당하는 것이 비투자율($μ_s$)입니다

(아닐 非가 아니라 비율할때 比입니다)

진공(공기)에서의 비투자율 $μ_s=1$입니다

* 자성체의 분류

물질마다 투자율이 다르고

그에 따라 자성체가 되는 정도가 

달라진다고 했었습니다

따라서 투자율에 따라 자성체를 

분류할 수가 있습니다

① 강자성체 : 

$μ_s≫1$ ( ex) 철 ) 

② 상자성체 : 

$μ_s＞1$  (  ex) 알루미늄 )

③ 역자성체(반자성체) : 

$μ_s＜1$ ( ex) 구리 )

강자성체 상자성체 모두 $μ_s$가

1보다 큰 것은 동일한데

강자성체는 $μ_s$가 1보다 훨씬 큰것

상자성체는 $μ_s$가 1보다 조금 큰것입니다

조금과 훨씬이 애매할수도 있지만

강자성체는 수백 수천 정도 되는

비투자율을 가지고

상자성체는 1~2 사이의 비투자율을

가진다고 보시면 됩니다 

시험에서는 보통 역자성체의

$μ_s＜1$ 이라는 것이 자주 나옵니다

* 자기차폐

자계, 자기력선은 투자율이 높은 공간일수록

많이 지나갑니다 투자율이라는 말이 

자하, 자계가 잘 통과하는 정도라고

했었으니 당연할 겁니다

투자율이 크려면 비투자율이 커야겠죠

어떤 공간을 비투자율이 큰

자성체로 감싸게 되면 

감싸진 공간은

상대적으로 비투자율이 작으니까

비투자율이 큰 자성체쪽으로 

자계가 많이 지나갈 겁니다

감싸진 공간, 장치 등을

자계, 즉 자기장의 영향을 받지 않게끔

비투자율이 큰 자성체가 자계를 

대신 받아줌으로써 보호하는거죠

이와 같이

내부 장치 또는 공간을 물질로 포위시켜 

외부 자계의 영향을 차폐시키는 방식을 

자기 차폐라고 합니다

(문제에 나오는 문장 그대로입니다ㅎㅎ)

중요한 건 어떤 물질이 자기 차폐에

이용하기 좋은가가 문제에 나오는데요

위에서 살펴본대로라면

비투자율이 클수록 자계가 

그쪽으로 더 잘 지나가므로 

비투자율이 큰 물질이 좋을 겁니다

비투자율이 크면 자연스럽게

강자성체가 되므로

자기 차폐에 좋은 물질은

강자성체 중에서 비투자율이 큰 물질

입니다

* 자화의 세기

자석이 아닌데 

자계 내에서, 즉 자석이 근처에 있을 때

 자석처럼 되는것을 자석화 된다고해서

 자화라고 했었습니다

물질마다 자화되는 정도는 다르다고 했는데

이 때 자화되는 정도를 자화의 세기라고 합니다

자화의세기는 해당 물질의 

비투자율이 크면 클 것이고 

또한 근처의 자계의세기가 세면

자화가 잘될 것이므로 자화의 세기가 클 것입니다

자화의세기(J)를 수식으로

$$J=μ_0 (μ_s -1)H$$

로 나타낼 수 있습니다

수식에서도 알 수 있듯이 자화의 세기는

 비투자율($μ_s$)가 클수록 크고

자계의 세기에 비례합니다

$μ_0 (μ_s -1)$를 χ라고

나타내기도 합니다

χ는 자화율이라고 합니다

즉 $J=μ_0 (μ_s -1)H=χH$ 입니다

(틀린 식을 찾는 문제에서 

$J=χB$ 라는 보기가 나오면 

틀린 식입니다) 

자화율 χ에 따라서도

자성체의 종류를 구분할 수 있는데

① 강자성체 : $χ≫0$

② 상자성체 : $χ＞0$ 

③ 역자성체(반자성체) : $χ＜0$ 

입니다

( $μ_s$로 따질때는 1을 기준으로 나뉘어졌는데

χ를 기준으로 나누면 $μ_s-1=0$이 되므로

0을 기준으로 나누어집니다 )

* 감자력

자계 안에 어떤 자성체가 들어가면

자화가 되어 자기적 성질을 띄게 됩니다

즉 N극과 S극의 성질을 가지게 되는데

그로 인해

자성체 자체적으로도 

자계를 발생시키게 됩니다

그렇게 되면 원래 있던 자계가

자성체가 만든 자계에 의해 

상쇄되어 줄어드는 현상이 생기게 됩니다

이 때 자성체가 만드는 자계를

감자력이라고 합니다

자계를 감소시키는 힘이라고

생각하시면 될 것 같네요

그리고 그 감소시키는 비율을

감자율이라고 합니다

감자력은 감자율에 비례합니다

이 감자율(N)은 도체 모양에 따라

조금씩 달라지는데요

우선 이 두 개만 암기하고

넘어가도록 하겠습니다

- 환상솔레노이드(환상철심) : $N = 0$

- 구 자성체 : $N = \frac{1}{3}$

첫 번째 포스팅 내용은 여기까지입니다

문제로 적용해보겠습니다

1

2

3

4

5

6

1

자기차폐에 대한 문제입니다

자기 차폐문제는 이 형태로 나오는 것이

대부분이고 보기 4개의 내용도 동일합니다

다만 보기 순서만 조금씩 다르게 나오므로

번호로 답을 외우면 안되고 

어떤 물질이 자기 차폐에 좋은 지의 

내용을 알아두고 해당하는 보기의 답을

찾으시면 됩니다

자기 차폐는 어떤 장치나 물질을

 비투자율이 큰 물질로 감싸서

자계의 영향을 받지 않게 하는 것입니다

따라서 비투자율이 큰 물질을 사용해야합니다

비투자율이 크면 자연히 강자성체이겠죠

강자성체 중에 비투자율이 큰 물질

을 사용해야 합니다 

자기 차폐 문제를 본다면

보기에서 강자성체 중에 비투자율이 큰 물질

을 찾으면 답입니다

답은 ①번입니다

2

자성체를 $μ_s$에 따라 분류하면

① 강자성체 : $μ_s≫1$ 

② 상자성체 : $μ_s＞1$ 

③ 역자성체(반자성체) : $μ_s＜1$

입니다

역자성체를 물었으므로

$μ_s＜1$ 입니다

답은 ②번입니다

3

감자력이 0인 물질을 물었습니다

감자력과 감자율을 공부하면서

우선 2개 물질의 감자율만 공부하자고 했었습니다

- 환상솔레노이드 : $N = 0$

- 구 자성체 : $N = \frac{1}{3}$

환상솔레노이드의 감자율이 0이므로

감자력도 0이 됩니다

감자력은 감자율에 비례하는데

감자율이 0이면 감자력도 0이 되므로

환상솔레노이드가 답이 됩니다

환상솔레노이드=환상철심

답은 ②번입니다

4

④번은 본적이 있습니다(B=μH)

관계식 중에 ①③번은 본적이 없지만

틀린 식이 하나 보이는데 

자화의 세기 $J=χB$가 아니라

$J=χH$ 라고 했었죠

나머지 식들도 다음 회독 때 살펴보겠지만

이처럼 모든 내용을 알고 있지 않아도

알고 있는 내용으로도 풀 수 있는 문제가 있다는 것을 

감안하면 효율적 공부가 가능할 것 같네요

답은 ②번입니다

5

앞선 2번 문제와 같은 문제같지만

보기 순서만 살짝 다른 문제입니다

이런 식으로 역자성체의 $μ_s$ 조건을

보기 순서만 바꿔서 물어보는 경우가 꽤 있습니다

역자성체(반자성체) : $μ_s＜1$

임을 기억하면

답은 ②번입니다

6

문제에 나온 식이 무엇인지 몰라도

보기만 가지고 판단하면 됩니다

χ와 $μ_s$가 함께 나오네요

각각의 경우 자성체를 구분하는 기준은

- $μ_s$에  의한 구분

① 강자성체 : $μ_s≫1$ 

② 상자성체 : $μ_s＞1$ 

③ 역자성체(반자성체) : $μ_s＜1$

- $χ$에 의한 구분

① 강자성체 : $χ≫0$

② 상자성체 : $χ＞0$ 

③ 역자성체(반자성체) : $χ＜0$ 

이걸 바탕으로

보기 중에 맞는 내용을 찾으면

답은 ④번입니다

< 요약 >

9장 첫번째 포스팅 마무리하겠습니다

두번째 포스팅도 얼른 올려보도록 할게요

감사합니다!!