강자성체와 상자성체는 자석에 반응하는 정도가 왜 다른가요?

Question

철 같은 강자성체는 자석에 강하게 끌리는데 알루미늄 같은 상자성체는 약하게만 반응한다고 배우는데, 재료의 원자구조가 자성에 어떻게 다르게 영향을 미치는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

강자성체와 상자성체의 차이는 원자 안 전자들이 만드는 작은 자기모멘트가 서로 얼마나 강하게 정렬되느냐에 있습니다. 철 같은 강자성체는 주변 원자들의 자기모멘트가 같은 방향으로 정렬하려는 교환 상호작용이 강해서 자구라는 영역이 형성되게 됩니다.

외부에서 자석을 가까이 대면 이 자구들이 자석 방향으로 크게 정렬되면서 매우 강한 인력이 나타납니다. 반면 알루미늄 같은 상자성체도 전자의 자기모멘트는 있지만 서로 강하게 정렬된 상태를 유지하지 못하고 평소에는 방향이 제각각 입니다.

외부 자기장이 있을 때만 일부가 같은 방향으로 정렬되기 때문에 자석에 끌리는 힘도 매우 약하게 나타납니다. 또 강자성체는 자석을 치운 뒤에도 어느 정도 자화가 남을 수는 있겠지만, 상자성체는 자기장을 제거하게되면 거의 바로 원래 상태로 되돌아가게 됩니다.

원자 자체의 자성 뿐 아니라 전자 사이 상호작용과 결정구조가 자기모멘트를 얼마나 집단적으로 정렬시키는지가 핵심적인 차이로 보시면 되겠습니다.

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

원자 수준에서 보면 전자가 작은 자석 역할을 해요. 전자의 회전 성질 때문에 원자 하나하나가 미세한 자석이 되는데, 대부분의 물질은 전자들이 짝을 이뤄 서로 자성을 상쇄해버려요. 짝을 못 이룬 전자가 남아있는 원자만 자석의 성질을 갖고요.

상자성체인 알루미늄은 원자마다 약한 자석이 있긴한데 서로 아무 협력을 안해요. 평소에는 열 운동 때문에 방향이 제멋대로 흩어져 있다가, 외부 자석을 가까이 대면 그 방향으로 살짝 정렬되는 정도예요. 자석을 치우면 바로 다시 흐트러지죠. 그래서 반응이 미미한 거예요.

강자성체인 철이 특별한 건 이웃 원자끼리 자석 방향을 맞추려는 강한 상호작용이 있기 때문인데, 원자들이 구역 단위로 같은 방향을 향해 뭉쳐 있는데, 외부 자석이 오면 이 구역들이 한꺼번에 같은 방향으로 정렬돼요. 수 많은 원자 자석이 한 몸 처럼 움직이니 반응이 수천배 강하고, 자석을 치워도 정렬이 어느 정도 남아서 철 자체가 자석이 되기도 하는 거예요. :)

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

강자성체는 원자 내부의 자기모멘트들이 서로 같은 방향으로 정렬하려는 상호작용이 강해 외부 자기장이 없어도 자구라는 작은 영역에서 자석처럼 정렬될 수 있어 강하게 끌립니다 반면 상자성체는 원자나 전자의 자기모멘트가 외부 자기장을 받으면 같은 방향으로 조금 정렬되지만 자기장을 제거하면 열운동 때문에 다시 무질서해져 자성이 매우 약합니다 이는 자로 전자의 스핀과 궤도 운동에서 생기는 자기모멘트 그리고 원자 사이의 양자역학적인 교환 상호작용 차이에서 비롯됩니다 그래서 강자성체는 자기모멘트의 집단적 정렬이 가능하지만 상자성체는 외부 자기장에 의한 일시적인 정렬함 나타기 때문에 자석에 끌리는 정도가 크게 다릅니다