자석

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자석은 자기장을 생성하는 물질이나 물체를 말한다.이 자기장은 눈에 보이지 않지만 자석의 가장 주목할 만한 성질, 즉 철, 강철, 니켈, 코발트 등 다른 강자성 물질을 잡아당겨 다른 자석을 끌어당기거나 밀어내는 힘이다.

영구자석은 자화된 물질로 만들어진 물체로, 자기장이 스스로 지속되는 자기장을 만들어 낸다.일상의 예는 냉장고 문에 메모지를 붙일 때 사용하는 냉장고 자석이다.자석에 강하게 끌리는 물질인 자성을 자화할 수 있는 물질도 강자성(또는 강자성)이라고 한다.여기에는 철, 니켈, 코발트 원소와 그 합금, 희토류 금속의 일부 합금, 그리고 자연적으로 발생하는 일부 광물(예: lodstone)이 포함된다.비록 강자성(및 강자성) 물질만이 자석으로 간주될 만큼 강하게 자석에 끌리는 물질이지만, 다른 모든 물질은 몇 가지 다른 종류의 자성 중 하나에 의해 자기장에 약하게 반응한다.

강자성 물질은 자성은 가능하나 자성은 유지되지 않는 아닐레드 철과 같이 자성적으로 "부드러운" 물질과 자성적으로 "강성" 물질로 나눌 수 있다.영구자석은 알니코, 페라이트 등 "강력한" 강자성 물질로 만들어지며, 제조 중 강한 자기장에서 특수 가공하여 내부 미세결정 구조를 정렬시켜 자성을 제거하기 매우 어렵다.포화 자석을 분해하려면 특정 자기장을 적용해야 하며, 이 임계값은 각 물질의 강제성에 따라 달라진다."강성" 물질은 강제성이 높은 반면, "부드러운" 물질은 강제성이 낮다.자석의 전체 강도는 자석의 자기 모멘트 또는 자석이 생성하는 총 자속(total magnetic flows)에 의해 측정된다.물질 내 자성의 국부적인 강도는 자화(自化)에 의해 측정된다.

전자석은 전류가 통과할 때는 자석의 역할을 하지만 전류가 멈추면 자석의 역할을 멈추는 전선 코일로 만들어진다.흔히 코일은 연강과 같은 '부드러운' 강자성 물질의 핵심을 감싸고 있어 코일에 의해 생성되는 자기장을 크게 강화시킨다.

발견 및 개발

고대인들은 자연적으로 자화된 철광석 조각인 로데스톤(또는 자석)으로부터 자성에 대해 배웠다.자석이라는 단어는 라틴어 자석인 "lodstone"에서 중세 영어에서 채택되었는데, 궁극적으로 로데스톤이 발견된 아나톨리아의 장소인 "^[2]마그네시아에서 온[stone]"을 의미하는 그리스 μαγννῆῆῆῆ [ [[λθθθος] (마그네시아[릿토스])^[1]에서 유래되었다(오늘날 터키 근대의 마니사).그들이 회전할 수 있도록 매달려 있는 로데스톤은 최초의 자기 나침반이었다.자석과 자석의 성질에 대한 가장 초기 알려진 설명은 약 2500년 전 아나톨리아, 인도, 중국에서 왔다.^[3][4][5]숙소의 특성과 철에 대한 그들의 친화력은 장로 플리니에 의해 그의 백과사전인 Naturalis Historyia에 쓰여졌다.^[6]

AD 12세기에서 13세기까지, 자기 나침반은 중국, 유럽, 아라비아 반도 등지에서 항해에 사용되었다.^[7]

물리학

자기장

자속 밀도(자기 B장 또는 보통 B로 표기되는 자기장이라고도 한다)는 벡터장이다.공간의 특정 지점에서 자기 B장 벡터는 다음 두 가지 특성에 의해 지정된다.

1. 나침반 바늘의 방향을 따라 있는 그것의 방향.
2. 그 크기(강도라고도 함)는 나침반 바늘이 그 방향을 따라 얼마나 강하게 향하는지 비례한다.

SI 단위에서는 자기 B장의 강도가 테슬라 단위로 주어진다.^[8]

자기 모멘트

자석의 자기 모멘트(자석 쌍극자 모멘트라고도 하며 보통 μ를 나타낸다)는 자석의 전반적인 자기 성질을 특징짓는 벡터다.막대 자석의 경우 자석의 남극에서 북극까지 자석의 모멘트 방향을 가리키며,^[9] 그 크기는 이 극들이 얼마나 강하고 얼마나 멀리 떨어져 있는지와 관련이 있다.SI 단위에서 자기 모멘트는 A·m²(암페어 시간 미터의 제곱) 단위로 지정된다.

자석은 둘 다 자기장을 생성하며 자기장에 반응한다.그것이 생성하는 자기장의 강도는 그 자기 모멘트의 크기에 비례하는 어떤 주어진 지점에 있다.또한 자석을 다른 소스에 의해 생성되는 외부 자기장에 넣으면 자기장과 평행하게 자기 모멘트를 방향화하는 토크가 발생한다.^[10]이 토크의 양은 자기 모멘트 및 외부장 양쪽에 비례한다.자석은 또한 자석과 소스의 위치와 방향에 따라 한 방향으로 또는 다른 방향으로 움직이는 힘에 노출될 수 있다.만약 그 장이 공간 안에서 균일하다면, 자석은 토크의 영향을 받기는 하지만, 순력을 받지 않는다.^[11]

영역 A와 운반 전류인 원 모양의 와이어 I는 IA와 같은 크기의 자기 모멘트를 가지고 있다.

자기화

자화된 물질의 자기화는 단위 부피 당 자기 모멘트의 국부적 값이며, 일반적으로 단위 A/m으로 M으로 표시된다.^[12]자석의 다른 영역은 다른 방향과 강점을 가지고 자화될 수 있기 때문에(예를 들어, 도메인 때문에, 아래 참조) 단순한 벡터(자기모멘트처럼)가 아니라 벡터장이다.좋은 바 자석은 자기 모멘트 크기가 0.1 A·m이고² 부피는 1 cm³ 또는 1×10⁻⁶ m일³ 수 있으므로 평균 자기화 크기는 100,000 A/m이다.철은 1미터당 약 100만 암페어의 자성을 가질 수 있다.이처럼 큰 가치는 철 자석이 왜 그렇게 자기장 생성에 효과적인지를 설명해 준다.

모델링 자석

자석에 대해 두 가지 다른 모델이 존재한다: 자기 극과 원자 전류.

비록 많은 목적에서 자석이 뚜렷한 북극과 남극 자석을 가지고 있다고 생각하는 것이 편리하지만, 극의 개념은 문자 그대로 받아들여져서는 안 된다: 그것은 자석의 서로 다른 두 끝을 가리키는 한 방법일 뿐이다.자석은 반대편에 뚜렷한 북쪽이나 남쪽 입자를 가지고 있지 않다.막대 자석이 두 조각으로 부서지면, 북극과 남극을 분리하려는 시도로, 결과는 두 개의 막대 자석이 될 것이며, 각각의 막대 자석은 북극과 남극을 둘 다 가지고 있다.그러나, 자기극 접근법의 버전은 영구 자석을 설계하기 위해 전문 자석 기술자들에 의해 사용된다.^{[citation needed]}

이 접근법에서는 자석 내부의 자화 ∇·M의 분산을 자석 단층 분포로 취급한다.이것은 수학적 편리함이며 자석에 실제로 단극이 있다는 것을 의미하지는 않는다.자기극 분포를 알면 극 모델이 자기장 H를 준다.자석 외부에서는 자기장 B가 H에 비례하는 반면, 자기장 내부는 H에 추가되어야 한다.내부 자기 전하를 허용하는 이 방법의 연장은 강자성 이론에 사용된다.

또 다른 모델은 Ampere 모델인데, 모든 자기화는 물질 전체에 걸쳐 Amperrian 전류라고도 불리는 미세한, 즉 원자, 원형의 결합 전류의 영향 때문이다.균일하게 자화된 원통형 막대 자석의 경우, 미세 결합 전류의 순효과는 자석이 표면 주위를 흐르는 전류의 거시적 시트가 있는 것처럼 행동하게 하고, 국소 흐름 방향은 실린더 축에 정상으로 한다.^[13]물질 내부 원자의 미세한 전류는 일반적으로 인접 원자의 전류에 의해 취소되기 때문에 표면만이 순기여를 한다; 자석의 외부 층을 깎아내면 자장이 파괴되는 것이 아니라 물질 전체에 걸쳐 원형 전류로부터 무균전류의 새로운 표면을 남긴다.^[14]우측 규칙은 양극으로 충전된 전류가 흐르는 방향을 가리킨다.하지만 실제로는 음전하로 인한 전류가 훨씬 더 많다.^{[citation needed]}

극성

자석의 북극은 자석이 자유롭게 매달려 있을 때 북극에서 지구의 북극 자성을 가리키는 극으로 정의된다(자석과 지리적 극은 일치하지 않는다, 자석분해 참조).반대 극(북극과 남극)이 끌어당기기 때문에 북극은 사실 지구 자기장의 남극이다.^{[15][16][17][18]}실제적인 문제로서 자석의 어느 극이 북쪽이고 어느 극이 남쪽인지 구별하기 위해서는 지구의 자기장을 전혀 사용할 필요가 없다.예를 들어, 한 가지 방법은 전자석과 비교하는 것인데, 전자석의 극은 오른손 법칙으로 식별할 수 있다.자석의 자기장 선은 자석의 북극에서 나와 남극으로 다시 들어가는 관습에 의해 고려된다.^[18]

자성재료

자석이라는 용어는 일반적으로 자기장이 없는 경우에도 자기장이 지속되는 물체를 위해 사용된다.오직 특정한 종류의 재료만이 이것을 할 수 있다.그러나 대부분의 물질은 자석이라고 알려진 현상인 적용된 자기장에 반응하여 자기장을 생성한다.자석의 종류는 여러 가지가 있으며, 모든 재료는 그 중 적어도 하나 이상을 나타낸다.

물질의 전반적인 자기 거동은 물질의 구조, 특히 전자 구성에 따라 크게 달라질 수 있다.다음과 같은 여러 가지 물질에서 몇 가지 형태의 자기 행동이 관찰되었다.

• 강자성과 강자성 물질은 보통 자석으로 생각되는 물질이다; 그들은 끌림을 느낄 수 있을 만큼 충분히 강하게 자석에 끌린다.이 물질들은 자성을 유지하고 자석이 될 수 있는 유일한 물질이다; 흔한 예는 전통적인 냉장고 자석이다.페라이트 및 가장 오래된 자석 자석 및 로스톤을 포함하는 강자성 물질은 강자석과 유사하지만 강자성보다 약하다.강자성 물질과 강자성 물질의 차이는 자력에서 설명한 바와 같이 그 미세한 구조와 관련이 있다.
• 백금, 알루미늄, 산소 같은 파라마그네틱 물질은 자석의 어느 극에 약하게 끌린다.이 매력은 강자성 물질에 비해 수십만 배나 약하기 때문에 민감한 기구를 사용하거나 극도로 강한 자석을 사용해야만 감지할 수 있다.자기성 페로플루오르드는 비록 액체 속에 매달린 작은 강자성 입자로 만들어지지만, 때로는 자성이 불가능하기 때문에 파라마그네틱으로 간주되기도 한다.
• 직자성은 양쪽 극에 의해 물리치는 것을 의미한다.파라자성 및 강자성 물질에 비해 탄소, 구리, 물, 플라스틱과 같은 직경성 물질은 자석에 의해 훨씬 더 약하게 밀어낸다.직경 물질의 투과성은 진공보다 적다.다른 종류의 자기 중 하나를 소유하지 않는 모든 물질은 직경이다; 이것은 대부분의 물질을 포함한다.일반 자석의 직경 물체에 가해지는 힘은 너무 약해서 느껴지지 않지만, 극도로 강한 초전도 자석을 사용하면 납조각이나 심지어 생쥐와^[19] 같은 직경 물체는 공중에서 공중 부양될 수 있기 때문에 공중에 떠다닌다.초전도체는 내부로부터 자기장을 밀어내고 강한 직경을 가지고 있다.

스핀 글라스, 초파라믹, 초다이아마그네틱스, 메타마그네틱스 등 그 밖에 다양한 종류의 자석이 있다.

공통 용법

• 자기 기록 매체:VHS 테이프에는 자기 테이프가 릴로 들어 있다.영상과 소리를 구성하는 정보는 테이프의 자기 코팅에 인코딩되어 있다.일반적인 오디오 카세트도 자기 테이프에 의존한다.마찬가지로 컴퓨터에서도 플로피 디스크와 하드 디스크는 얇은 자기 코팅에 데이터를 기록한다.^[20]
• 신용 카드, 직불 카드 및 현금 자동 인출기 카드:이 카드들은 모두 한쪽 면에 자기 띠가 있다.이 스트립은 개인의 금융기관에 연락하고 그들의 계좌와 연결하기 위해 정보를 암호화한다.^[21]
• 구형 텔레비전(비 평면 화면) 및 구형 대형 컴퓨터 모니터:브라운관이 들어 있는 TV와 컴퓨터 화면은 전자석을 사용하여 전자를 스크린으로 안내한다.^[22]
• 스피커 및 마이크:대부분의 스피커는 영구 자석과 전류를 운반하는 코일을 사용하여 전기 에너지(신호)를 기계 에너지(소음을 만들어내는 동작)로 변환한다.코일은 스피커 콘에 부착된 보빈을 감싸고 영구 자석의 장과 상호 작용하는 변화 전류로서 신호를 전달한다.음성 코일은 자력을 느끼고 반응하여 원뿔을 움직이며 이웃 공기를 가압하여 소리를 발생시킨다.다이나믹 마이크는 같은 개념을 사용하지만 반대로 사용한다.마이크에는 전선 코일에 횡경막이나 막이 부착되어 있다.그 코일은 특별한 모양의 자석 안에 놓여 있다.소리가 막을 진동시키면 코일도 진동한다.코일이 자기장을 통과하면서 전압이 코일을 가로질러 유도된다.이 전압은 원래 소리의 특징인 와이어의 전류를 구동한다.
• 전기 기타는 자기 픽업으로 기타 줄의 진동을 증폭시킬 수 있는 전류로 변환한다.이는 자석에 의해 진동이 직접 감지되고 횡격막이 사용되지 않기 때문에 스피커와 동적 마이크 뒤의 원리와는 다르다.해먼드 오르간도 끈 대신 회전하는 톤휠로 비슷한 원리를 사용했다.
• 전기 모터와 발전기: 어떤 전기 모터는 전자석과 영구 자석의 조합에 의존하며, 확성기와 마찬가지로 전기 에너지를 기계 에너지로 변환한다.발전기는 역이다: 자기장을 통해 도체를 움직여서 기계 에너지를 전기에너지로 변환시킨다.
• 약:병원들은 자기공명영상촬영을 통해 침습적 수술 없이 환자의 장기에 문제가 있는 것을 발견한다.
• 화학:화학자들은 합성 화합물을 특징 짓기 위해 핵 자기 공명을 사용한다.
• 척은 금속 작업 분야에서 물체를 고정하는 데 사용된다.자석은 자석 베이스, 자석 클램프, 냉장고 자석과 같은 다른 유형의 고정 장치에도 사용된다.
• 나침반:나침반(또는 마린어의 나침반)은 자기장과 자신을 정렬할 수 있는 자화된 포인터로, 가장 흔히 지구 자기장과 일치한다.
• 예술: 비닐 자석 시트를 그림, 사진 및 기타 장식 용품에 부착하여 냉장고와 기타 금속 표면에 부착할 수 있다.물체와 페인트를 자석 표면에 직접 발라 콜라주 예술 작품을 만들 수 있다.금속 자판, 스트립, 문, 전자레인지, 식기 세척기, 자동차, 금속 I 빔, 그리고 모든 금속 표면은 자기 비닐 아트를 사용할 수 있다.
• 과학 프로젝트:많은 주제 질문은 자석을 기반으로 하는데, 여기에는 전류 운반선의 반발, 온도의 영향, 자석을 수반하는 모터 등이 포함된다.^[23]

• 장난감: 근거리에서 중력을 상쇄하는 능력을 감안할 때, 자석은 종종 재미있는 효과를 위해 마그넷 스페이스 휠이나 레비트론과 같은 어린이 장난감에 이용된다.
• 냉장고 자석은 부엌을 장식하거나 기념품으로 사용하거나 단순히 냉장고 문에 메모나 사진을 붙일 때 사용된다.
• 자석은 보석을 만드는데 사용될 수 있다.목걸이와 팔찌에는 자석 걸쇠가 있을 수도 있고, 완전히 연결된 일련의 자석과 철 구슬로 만들어질 수도 있다.
• 자석은 너무 작거나, 손이 닿지 않거나, 손가락이 쥐기에 너무 얇은 자기물품(철못, 스테이플, 딱지, 종이 클립)을 집어들 수 있다.어떤 스크류드라이버는 이러한 목적을 위해 자화된다.
• 자석은 고철과 인양작업에 사용돼 자성금속(철, 코발트, 니켈)과 비자성금속(알루미늄, 비철합금 등)을 분리할 수 있다.자동차 섀시를 자석으로 검사해 섬유유리나 플라스틱 퍼티를 이용해 수리된 부위를 검출하는 이른바 '마그네틱 테스트'에서도 같은 아이디어를 사용할 수 있다.
• 자석은 공정 산업, 특히 식품 제조에서 공정(원재료)에 들어가는 물질로부터 금속 이물질을 제거하거나 공정의 끝과 포장 전 오염 가능성을 감지하기 위해 발견된다.그것들은 프로세스 장비와 최종 소비자를 위한 중요한 보호 층을 구성한다.^[24]
• 자기부상 운송(maglev)은 전자기력을 통해 차량(특히 열차)을 정지, 유도, 추진시키는 운송의 한 형태다.롤링 저항을 제거하면 효율성이 높아진다.마글레브 열차의 최대 기록 속도는 시속 581km(361mph)이다.
• 자석은 일부 케이블 연결을 위한 페일 세이프 장치 역할을 하는 데 사용될 수 있다.예를 들어, 일부 노트북의 전원 코드는 자석으로 되어 있어 걸려 넘어졌을 때 포트의 우발적인 손상을 방지한다.Apple MacBook에 대한 MagSafe 전원 연결은 그러한 예 중 하나이다.

의료 문제 및 안전

인간 조직은 정적 자기장에 대한 민감도가 매우 낮기 때문에, 정적 자기장에 대한 노출과 관련된 건강 효과를 보여주는 주류의 과학적인 증거는 거의 없다.그러나 동적 자기장은 다른 문제가 될 수 있다. 전자파 방사선과 암 발생률 사이의 상관관계는 인구학적 상관관계로 가정되었다(전자파 방사선과 건강 참조).

만약 강자성 이체가 인체 조직 내에 존재한다면, 그것과 상호 작용하는 외부 자기장은 심각한 안전 위험을 초래할 수 있다.^[25]

심박조율기를 수반하는 다른 유형의 간접 자기 건강 위험이 존재한다.심박조율기가 환자의 가슴에 박혀 있는 경우(보통 전기적으로 지속적으로 유도되는 박동에 대해 심장을 감시하고 조절할 목적으로) 자기장에서 멀리하도록 주의를 기울여야 한다.장치가 설치된 환자를 자기 공명 영상 장치를 사용하여 테스트할 수 없는 것도 이 때문이다.

아이들은 장난감에서 작은 자석을 삼키는 경우가 있는데, 자석이 내부 조직을 꼬집거나 구멍을 낼 수 있기 때문에 둘 이상의 자석을 삼킬 경우 위험할 수 있다.^[26]

자기 영상 장치(예: MRI)는 거대한 자기장을 생성하므로 이를 수용하기 위한 방에는 철 금속이 포함되지 않는다.철 금속으로 만들어진 물체(산소통 등)를 그러한 방에 들여오는 것은 심각한 안전 위험을 야기한다. 그 물체들은 강렬한 자기장에 의해 강력하게 던져질 수 있기 때문이다.

자화 페로마네츠

강자성 물질은 다음과 같은 방법으로 자화할 수 있다.

• 물체를 퀴리 온도보다 높게 가열하여 자기장에서 식히고 식을 때 망치로 두드린다.이것은 가장 효과적인 방법이며 영구 자석을 만드는 데 사용되는 산업 공정과 유사하다.
• 외부 자기장에 항목을 배치하면 해당 항목이 제거 시 자력의 일부를 유지하게 된다.진동이 효과를 높이는 것으로 나타났다.진동(예: 컨베이어 프레임)을 받는 지구의 자기장과 정렬된 철 물질은 상당한 잔류 자력을 획득하는 것으로 나타났다.마찬가지로 N-S 방향으로 손가락이 잡고 있는 쇠못을 망치로 치면 일시적으로 못이 자화된다.
• 스트로킹:기존 자석은 같은 방향으로 반복적으로 항목의 한쪽 끝에서 다른 끝으로 이동하거나(싱글터치 방식), 두 개의 자석을 세 번째의 중심에서 바깥쪽으로 이동시킨다(더블터치 방식).^[27]
• 전류:코일을 통해 전류를 통과시켜 생성되는 자기장은 도메인을 정렬시킬 수 있다.일단 모든 도메인이 일렬로 서게 되면, 전류를 증가시켜도 자기화가 증가하지 않는다.^[28]

자석 제거 페로마그네틱스

자화된 강자성 물질은 다음과 같은 방법으로 탈자(또는 디가우싱)할 수 있다.

• 큐리 온도를 지나 자석을 가열하는 것; 분자 운동은 자기 영역의 정렬을 파괴한다.이것은 항상 모든 자성을 제거한다.
• 자석을 물질의 강제성보다 높은 강도로 교대 자기장에 배치한 다음 자석을 천천히 밖으로 끌어내거나 자기장을 0으로 천천히 감소시킨다.이는 상용 디마그네틱에서 도구를 탈자하고 신용카드, 하드디스크를 소거하며 CRT의 탈자에 사용되는 디가우싱 코일을 제거하는 데 사용되는 원리다.
• 자석의 어떤 부분이 자성 물질의 강제성보다 높은 역장(reverse field)을 받는 경우 일부 탈자기화 또는 역자화(reverse magnetization)가 발생할 것이다.
• 자석화는 자석이 자석의 B-H 곡선(자석 곡선)의 두 번째 사분면에 있는 선형 부분으로부터 자석을 멀리 이동시킬 수 있을 만큼 충분한 순환장에 의해 점진적으로 발생한다.
• 망치질 또는 거슬림: 기계적 교란은 자기 영역을 랜덤화하고 물체의 자기화를 감소시키는 경향이 있지만 허용할 수 없는 손상을 일으킬 수 있다.

영구 자석의 종류

자기 금속 원소

많은 물질은 전자 스핀이 손상되지 않았으며, 이들 물질의 대부분은 파라마그네틱이다.스핀들이 자연적으로 정렬되는 방식으로 스핀들이 서로 상호작용할 때, 그 물질들을 강자성(자석이라고 느슨하게 부르는 것)이라고 부른다.그들의 규칙적인 결정체 원자 구조가 그들의 스핀들을 상호 작용하게 하는 방법 때문에, 어떤 금속들은 광석으로서 그들의 자연 상태에서 발견될 때 강자성이다.여기에는 철광석(자석 또는 숙석), 코발트와 니켈은 물론 희토류 금속 가돌리늄과 다이프로시움(매우 낮은 온도일 때)이 포함된다.이와 같이 자연적으로 발생하는 페로마네트는 자성을 가진 최초의 실험에 사용되었다.그 이후 기술은 자연적인 자성 원소를 기반으로 한 다양한 인공 제품을 포함하도록 자성 물질의 가용성을 확대했다.

컴포지트

세라믹 또는 페라이트 자석은 분말 산화철과 바륨/스트론튬 탄산염 세라믹의 소결합물로 만들어진다.재료비와 제조방법이 저렴하다는 점을 감안하면 다양한 모양의 저렴한 자석(또는 휴대용 AM 라디오 안테나 등 전자부품에 사용하기 위한 비자기 코어)을 쉽게 대량 생산할 수 있다.그 결과로 생긴 자석은 부식되지 않지만 부서지기 쉬우므로 다른 세라믹과 같이 취급해야 한다.

알니코 자석은 알루미늄, 니켈, 코발트의 조합에 철과 소량의 다른 원소를 첨가하여 주조하거나 소결하여 만들어진다.소결은 우수한 기계적 특성을 제공하는 반면, 주조물은 더 높은 자기장을 전달하고 복잡한 형상의 설계를 가능하게 한다.알니코 자석은 부식에 저항하고 페라이트보다 더 관용적인 물리적 성질을 지녔지만 금속만큼 바람직하지는 않다.이 제품군에서 합금의 상표명은 다음과 같다.Alni, Alcomax, Hycomax, Columax, Ticonal.^[29]

사출 성형 자석은 다양한 유형의 수지 및 자석 분말을 혼합한 것으로 사출 성형 방식으로 복잡한 모양의 부품을 제작할 수 있다.제품의 물리적, 자기적 특성은 원재료에 따라 달라지지만 일반적으로 자기력이 낮고 물리적 특성에서 플라스틱과 유사하다.

유연 자석은 플라스틱 바인더와 혼합된 고운동성 강자성 화합물(대개 산화제)으로 구성된다.이것은 시트로 압출되어 강력한 원통형 영구 자석의 한 줄 위를 지나간다.이 자석들은 회전축에 자석극이 위를 향하도록(N, S, N, S...) 교대로 배열되어 있다.이것은 플라스틱 시트에 자석 극을 교대로 배치한 형태로 인상적이다.자석을 생성하기 위해 전자석이 사용되지 않는다.극과 극 사이의 거리는 5 mm의 순서로 되어 있지만, 제조 업체에 따라 다르다.이 자석들은 자기 강도가 낮지만 사용되는 바인더에 따라 매우 유연할 수 있다.^[30]

희토류 자석

희토류(란타노이드) 원소는 부분적으로 점유된 f 전자 껍질(최대 14개의 전자를 수용할 수 있다)을 가지고 있다.이러한 전자들의 회전은 정렬되어 매우 강한 자기장을 만들 수 있으며, 따라서 이러한 원소들은 높은 가격이 문제가 되지 않는 소형 고강도 자석에 사용된다.희토류 자석의 가장 흔한 종류는 사마륨-코발트, 네오디뮴-철-보론(NIB) 자석이다.

단일 분자 자석(SMM) 및 단일 체인 자석(SCM)

1990년대에, 파라마그네틱 금속 이온을 함유한 특정 분자가 매우 낮은 온도에서 자기 모멘트를 저장할 수 있다는 것이 발견되었다.이것들은 자기 영역 수준에서 정보를 저장하는 기존의 자석과는 매우 다르며 이론적으로는 기존 자석보다 훨씬 밀도가 높은 저장 매체를 제공할 수 있다.이런 방향에서 현재 SMMs의 모노레이저에 대한 연구가 진행 중이다.매우 간략하게, SMM의 두 가지 주요 속성은 다음과 같다.

1. 큰 접지 상태 스핀 값(S), 파라자성 금속 센터 간의 강자성 또는 강자성 결합에 의해 제공됨
2. 영점 분할의 음수 값(D)

대부분의 SMM은 망간을 포함하고 있지만 바나듐, 철, 니켈, 코발트 클러스터에서도 발견될 수 있다.보다 최근에는 일부 체인 시스템이 높은 온도에서도 장시간 지속되는 자기화 현상을 보일 수 있다는 사실도 밝혀졌다.이 시스템들은 단일 체인 자석이라고 불려왔다.

나노 구조 자석

일부 나노 구조 물질은 마그노라고 불리는 에너지 파동을 보이며, 이는 보세-아인슈타인 응축수 방식으로 합쳐진다.^[31][32]

희토류 없는 영구자석

미국 에너지부는 영구 자석 기술에서 희토류 금속의 대체물을 찾아야 할 필요성을 확인했고, 그러한 연구에 자금을 대기 시작했다.첨단 연구 프로젝트 기관-에너지(ARPA-E)는 대체 물질 개발을 위한 희토류 대체기술(REACT) 프로그램을 후원했다.2011년 ARPA-E는 희토류 대체 프로젝트에 3160만 달러를 지원했다.^[33]

비용.

현재^[update] 가장 값싼 영구자석은 자기장 강도가 가능한 유연성과 세라믹 자석이지만 이들 역시 가장 약한 종류에 속한다.페라이트 자석은 값싼 원료로 만들어지기 때문에 주로 저렴한 자석인 산화철과 바- 또는 스르-탄산염이다.그러나 새로운 저비용 자석인 Mn-Al 합금이 개발되어 현재 저비용 자석 분야를 지배하고 있다.^[34]그것은 페라이트 자석보다 포화 자석화가 더 높다.열적으로 불안정할 수 있지만, 온도 계수가 더 유리하다.네오디뮴-철-보론(NIB) 자석이 가장 강하다.이것들은 대부분의 다른 자성 물질들보다 킬로그램 당 비용이 더 많이 들지만, 강한 자기장 때문에, 많은 응용 분야에서 더 작고 저렴하다.^[35]

온도

온도 민감도는 다양하지만, 자석이 퀴리점이라고 알려진 온도까지 가열되면, 그 온도 이하로 냉각된 후에도 자력이 모두 손실된다.그러나 자석은 종종 다시 자석화될 수 있다.

또한 일부 자석은 부서지기 쉬우며 고온에서 파손될 수 있다.

알니코 자석의 최대 가용 온도는 540 °C(1,000 °F), 페라이트 및 SmCo의 경우 약 300 °C(570 °F), NIB의 경우 약 140 °C(280 °F), 유연한 세라믹의 경우 그보다 낮지만 정확한 수치는 재료 등급에 따라 달라진다.

전자석

전자석은 가장 단순한 형태로 하나 이상의 루프로 감겨진 와이어로, 솔레노이드로 알려져 있다.전류가 와이어를 통해 흐르면 자기장이 생성된다.코일 근처(특히 안쪽)에 집중되어 있으며, 자기장의 선은 자석의 선과 매우 유사하다.이 효과적인 자석의 방향은 오른손 법칙에 의해 결정된다.전자석의 자기 모멘트와 자기장은 와이어의 루프 수, 각 루프의 단면, 와이어를 통과하는 전류에 비례한다.^[36]

와이어의 코일이 특별한 자기 성질이 없는 물질(예: 판지)을 감싸면 매우 약한 장(場)을 생성하는 경향이 있다.그러나 쇠못과 같은 부드러운 강자성 물질에 감겨 있으면 생산되는 그물장(그물장)이 수백배에서 수천배의 자기장 강도를 높일 수 있다.

전자석에는 입자 가속기, 전기 모터, 고물 크레인, 자기 공명 영상 기계가 사용된다.예를 들어, 쿼드폴과 섹투폴 자석은 입자 빔의 초점을 맞추기 위해 사용된다.

단위 및 계산

대부분의 엔지니어링 애플리케이션의 경우 MKS(Rationalized) 또는 SI(Systeme International) 단위가 일반적으로 사용된다.가우스와 CGS-EMU라는 두 개의 다른 단위 세트는 자기 성질에 대해 동일하며 물리학에서 일반적으로 사용된다.^{[citation needed]}

모든 단위에서 단위 부피당 자기 모멘트로 정의되는 자기장 M은 물론 B형과 H형 두 종류의 자기장을 채용하는 것이 편리하다.

1. 자기 유도장 B는 테슬라(T)의 SI 단위로 주어진다.B는 패러데이 법칙에 의해 시간적 변동이 발생하는 자기장(전력회사들이 판매하는 전기장)이다.B는 또한 (TV 튜브와 같이) 움직이는 전하 입자에 대해 편향력을 발생시킨다.테슬라는 단위 면적(미터 제곱)당 자속(웨커 내)에 해당하므로 B에게 플럭스 밀도의 단위를 부여한다.CGS에서 B의 단위는 가우스(G)이다.하나의 테슬라는 10⁴ G와 같다.
2. 자기장 H는 미터당 암페어 턴(A-턴/m) 단위로 주어진다.회전이 나타나는 이유는 H가 전류 운반 와이어에 의해 생성될 때 그 값이 해당 와이어의 회전 수에 비례하기 때문이다.CGS에서 H의 단위는 Oersted(Oe)이다.A턴 1회/m은 4××10⁻³ Oe이다.
3. 자기화 M은 미터당 암페어의 SI 단위(A/m)로 주어진다.CGS에서 M의 단위는 Oersted(Oe)이다.1 A/m은 10⁻³ emu/cm이다³.좋은 영구 자석은 1미터당 백만 암페어 정도의 자성을 가질 수 있다.
4. SI 단위에서 관계 B = μ₀(H + M)는 유지되며, 여기서 μ는₀ 공간의 투과성이며, 이는 4㎛×10⁻⁷ T•m/A와 같다.CGS에서는 B = H + 4㎛로 표기한다.(극 접근은 SI 단위로 μH를₀ 부여한다.그런 다음 SI에서 μM₀ 항은 이₀ μH를 보충하여 B, 자석 내에 정확한 필드를 제공해야 한다.암페리아 해류를 사용하여 계산한 필드 B와 일치한다.

영구 자석이 아닌 물질은 일반적으로 SI에서 M = χH 관계를 만족하며, 여기서 χ은 (차원 없는) 자기 감수성이다.대부분의 비자기성 물질은 χ이 비교적 작지만(1백만분의 1순서) 부드러운 자석은 수백, 수천순서 χ을 가질 수 있다.M = μH를 만족하는 물질의 경우 B = μ₀(1 + μ)H = μH_0r = μH = μH = μH = μH로 표기할 수 있으며, 여기서 μ_r = 1 + μ는 (차원 없는) 상대 투과성이고 μ = μ_0r μ μ는 자기 투과성이다.경질 자석과 연질 자석 모두 이력 의존도가 높은 보다 복잡하고, 이력 의존적인 행동을 가지고 있는데, 이것은 B와 B 둘 중 하나를 주는 이력(hysteresis) 루프라고 불리는 것에 의해 설명된다.H 또는 M 대 H. CGS에서는 M = χH이지만 χ_SI = 4πχ_CGS, μ = μs이다_r.

주의: 부분적으로 로마와 그리스 기호가 충분하지 않기 때문에, 자기 극의 강도와 자기 모멘트에 대해 일반적으로 합의된 기호가 없다.기호 m은 극 강도(단위 A•m, 여기서 수직 m은 미터용)와 자기 모멘트(단위 A•m²)에 모두 사용되어 왔다.기호 μ는 자석 투과성을 위한 일부 텍스트와 자석 모멘트를 위한 다른 텍스트에서 사용되어 왔다.자석 투과성에는 μ, 자석 모멘트에는 m을 사용할 것이다.극의 힘을 위해, 우리는 Q를_m 고용할 것이다.축을 따라 균일한 자기화 M을 갖는 단면 A의 막대 자석에 대해서는 q_m = MA에 의해 극의 강도가 주어지기 때문에 단위 면적당 극의 강도로 생각할 수 있다.

자석의 장

자석에서 멀리 떨어져서, 그 자석에 의해 생성된 자기장은 그것의 총 자기 모멘트로 특징지어지는 쌍극장에 의해 거의 항상 (좋은 근사치로) 설명된다.자석 모멘트가 0이 아닌 한 자석의 형태에 상관없이 이것은 사실이다.쌍극장의 한 가지 특징은 자기장의 강도가 자석의 중심에서 거리의 입방체와 반비례하여 떨어진다는 것이다.

자석에 가까워지면 자장은 더욱 복잡해지고 자석의 세밀한 모양과 자화에 의존하게 된다.공식적으로 필드는 다중 홀 확장으로 표현될 수 있다.쌍극장, 쿼드폴장, 옥투폴장 등.

근거리에서는 다양한 분야가 가능하다.예를 들어, 북극이 한쪽 끝, 남극이 다른 쪽 끝에 있는 길고 마른 막대 자석의 경우, 양쪽 끝 근처의 자기장은 그 극으로부터 거리의 제곱과 반비례하여 떨어진다.

자기력 계산

단일 자석의 당김력

주어진 자석의 강도는 때로는 끌어당기는 힘, 즉 강자성 물체를 끌어당기는 능력으로 주어진다.^[37]전자석 또는 공극이 없는 영구 자석에 의해 발휘되는 당김력(즉, 강자성 물체는 자석의^[38] 극과 직접 접촉한다)은 맥스웰 방정식에 의해 주어진다.^[39]

${\displaystyle F}$= ${\displaystyle B\frac{{}^{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{2\mathrm{}}^{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}^{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{0\mathrm{}}_{}}{}}$ ${\$

어디에

F는 힘(SI 단위: 뉴턴)

A는 평방미터 단면이다.

B는 자석에 의해 작용하는 자기 유도다.

이 결과는 자석의 극이 강자성 물체에서 같은 것을 유도하는 자기 단극으로 충전된다고 가정하는 길버트 모델을 사용하여 쉽게 도출할 수 있다.

자석이 수직으로 작용하는 경우, 다음과 같은 간단한 방정식에 의해 주어진 질량 m in kg을 들어올릴 수 있다.

${\displaystyle m={{{B^{2}A} {2\mu _{0}g},}$

여기서 g는 중력 가속이다.

두 자성극 사이의 힘

고전적으로 두 자극 사이의 힘은 다음과 같이 주어진다.^[40]

${\displaystyle F={{\mu q_{m1}q_{m2}} \over {4\pi r^{2}}$

어디에

F는 힘(SI 단위: 뉴턴)

q와_m1 q는_m2 자기극의 크기(SI 단위: 암페어 미터)

μ는 간섭 매체의 투과성(SI 단위: 암페어당 테슬라 미터, 미터당 헨리 또는 암페어 제곱당 뉴턴)

r은 분리(SI 단위: 미터)이다.

극 설명서는 실제 자석을 설계하는 엔지니어에게 유용하지만 실제 자석은 단일 남북보다 더 복잡한 극 분포를 가지고 있다.그러므로 극구 사상의 구현은 간단하지 않다.어떤 경우에는 아래에 제시된 보다 복잡한 공식 중 하나가 더 유용할 것이다.

영역 A의 두 근처 자화 표면 사이의 힘

가까운 두 자화면 사이의 기계적 힘은 다음과 같은 방정식으로 계산할 수 있다.이 방정식은 프링 효과가 미미하고 공극 부피가 자화된 물질의 부피보다 훨씬 작은 경우에만 유효하다.^[41][42]

${\displaystyle F={\frac {\mu _{0}H^{2}A}{2}}={\frac {B^{2}A}{2\mu _{0}}}$

여기서:

A는 각 표면의 면적(m²)이다.

H는 A/m에서 자화장이다.

μ는₀ 공간의 투과성으로, 4××10⁻⁷ T•m/A와 같다.

B는 유동 밀도(T)이다.

두 막대 자석 사이의 힘

두 개의 동일한 원통형 막대 자석이 큰 거리 $z{\displaystyle z}$ R ${\displaystyle z\gg R}$에 엔드 투 엔드로 배치된 힘은 대략 다음과 같다$$.^{[dubious – discuss][41]}

${\displaystyle F\simeq \left[{\frac {B_{0}^{2]}A^{2}\left(L^{2}+R^{2}\right)}{\pi \mu _{0}L^{2}}}\right]\left[{\frac {1}{z^{2}}}+{\frac {1}{(z+2L)^{2}}}-{\frac {2}{(z+L)^{2}}}\right]}$

여기서:

B는₀ 각 극에 매우 가까운 자속 밀도(T)이다.

A는 각 극의 면적(m²)이다.

L은 각 자석의 길이(m)이다.

R은 각 자석의 반지름(m)이며,

z는 두 자석 사이의 분리(m)이다.

${\displaystyle B_{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}{}_{}}$= ${\displaystyle \mu \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{0\mathrm{}}_{}}{}}$ ${\displaystyle 2}$ M ${\displaystyle B_{0}\,=\,{\frac {\mu _{0}}{2$}}$M}$은 극의 플럭스 밀도와 자석의 자성을 연결한다$$.

이러한 모든 공식은 비교적 먼 거리에서 사용할 수 있는 길버트의 모델에 기초한다는 점에 유의하십시오.다른 모델(예: Ampere's model)에서는 분석적으로 해결할 수 없는 복잡한 제형이 사용된다.이 경우 수치적 방법을 사용해야 한다.

두 원통형 자석 사이의 힘

반지름 $R{\displaystyle }$ ${\displaystyle R}$ 및$$ 길이 $L{\displaystyle }$ ${\displaystyle L}$이$($가) 있는 원통형 자석 2개에 대해, 힘은 다음 기준의$$ 큰 $거리{\displaystyle }$ z ${\displaystyle \gg }$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle z\g R}$에서 점증적으로 근사할 수 있다.^[43]

${\displaystyle F(z)\simeq {\frac {\pi \mu _{0}}{4}}M^{2}R^{4}\left[{\frac {1}{z^{2}}}+{\frac {1}{(z+2L)^{2}}}-{\frac {2}{(z+L)^{2}}}\right]}$

여기서 $M{\displaystyle }$ ${\displaystyle M}$은 자석의 자화, $z{\displaystyle }$ ${\displaystyle z}$은 자석 사이의 간격이다.자석 $B{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$ ${\$에 매우 가까운 자속 밀도의 측정은 약 공식에$$ 의해 $M{\displaystyle }$ ${\displaystyle M}$과(와) 관련이 있다$$.

${\displaystyle B_{0}={\frac {\mu _{0}{2}}M}$

유효 자석 쌍극자는 다음과 같이 쓸 수 있다.

$[\displaystyle m=MV}$

여기서 $V{\displaystyle }$ ${\displaystyle V}$은(는) 자석의 볼륨이다.실린더의 경우 $V{\displaystyle }$ = ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle {2\mathrm{}}^{}}$ ${\displaystyle {}^{}}$ ${\displaystyle V=\pi$ R$^{2}L}$ 입니다$.$

$z{\displaystyle }$ ${\displaystyle \gg }$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle z\g L$ 점 쌍극점 근사치를 구하면

${\displaystyle F(x)={\frac {3\pi \mu _{0}}{2}}M^{2}R^{4}L^{2}{\frac {1}{z^{4}}}={\frac {3\mu _{0}}{2\pi }}M^{2}V^{2}{\frac {1}{z^{4}}}={\frac {3\mu _{0}}{2\pi }}m_{1}m_{2}{\frac {1}{z^{4}}}}$

두 자석 쌍극자 사이의 힘의 표현과 일치한다.

참고 항목

메모들

참조

외부 링크

무료 사전인 Wiktionary에서 자석을 찾아보십시오.

위키미디어 커먼즈에는 자석과 관련된 미디어가 있다.

• 웨이백 머신(Wayback Machine)에서 자석을 아카이브 2013-03-16으로 만드는 방법(비디오)
• 플로팅 링 자석, IAPT 게시판, 제4권 6, 145(2012년 6월)(인도물리교사협회 홍보).
• 전기와 자성의 짧은 역사