개념 한 쪽
자화는 자성체가 외부 자계에 정렬되는 현상으로, 잣대는 자화의 세기 J다. B = μ₀H + J에서 출발해 강자성체의 J와 B 비교, 감자력과 감자율, 자극 세기 계산, 자화의 물성적 원인(전자 스핀)까지가 시험 범위다.
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출제기준 단원 「자화」의 공개 문제 14개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| J와 B의 관계 | 4 | B=μ₀H+J에서 J가 약간 작음 판정 |
| 자화의 정의·물성 | 5 | 정의 표현·분극도 대응·∇·M·전자 스핀 |
| 감자율·감자력 | 3 | 구 1/3·J 비례·균일 자화 자극 분포 |
| 자극 세기 계산 | 1 | m = J×S 산출 |
| 퀴리 법칙 | 1 | 자화율과 절대온도 반비례 |
가장 자주 묻는 것은 자화의 정의·물성입니다.
자화의 세기 J는 자성체의 단위 체적당 자기 모멘트로 정의되고, 단위 면적당 자화된 자하량·자화선의 밀도라는 표현도 같은 뜻이다(단위 면적당 자기력선 밀도는 자속밀도 쪽이라 틀린 정의다). 관계식은 B = μ₀H + J, 즉 J = B − μ₀H = μ₀(μs−1)H다. 이 모양은 유전체의 D = ε₀E + P와 그대로 대응해 자화의 세기 J는 전기분극도 P와 같은 자리다. 자화벡터 M의 발산 ∇·M은 단위 체적당 발산하는 자화력선의 수를 나타낸다.
강자성체에서 자속밀도 B와 자화의 세기 J를 비교하면 J가 B보다 약간 작다. B = μ₀H + J에서 μ₀H 항이 극히 작아 실용적으로는 J ≈ B로 근사하지만, 엄밀히는 B가 J에 μ₀H만큼 더 크다. 「J가 크다」「같다」「대단히 작다」는 오답 보기다.
자화가 되면 자성체 끝에 자극이 생기고 이 자극이 반대 방향 자계(감자계)를 만든다. 감자력은 H' = (N/μ₀)J로 자화의 세기에 비례하고, 감자율 N은 형상이 정한다 — 환상 철심 0, 무한히 긴 봉 0에 가깝고, 균일 자화된 구는 1/3, 두께 방향으로 자화된 평판은 1에 가깝다. 균일하게 자화된 자성체의 자극은 전체에 골고루 분포해 나타난다.
자극의 세기는 자화의 세기에 단면적을 곱한다. 길이 방향으로 균일 자화된 원통(반지름 0.1 [m])에서 J = 200 [Wb/m²]이면 단면적 S = π(0.1)² = 0.01π [m²]이고, 전 자극의 세기 m = J×S = 200×0.01π = 2π [Wb]다.
물질의 자화 현상은 물성적으로 전자의 자전(스핀)에 의한 자기 모멘트가 주된 원인이다(공전·이동·분자 운동이 아니다). 상자성체의 자화율은 온도가 높아지면 열운동으로 배열이 흐트러져 작아지는데, 쌍극자 모멘트의 통계 처리에서 χ = C/T로 절대온도에 반비례한다(퀴리의 법칙).
① 관계식: B = μ₀H + J → J = B − μ₀H, 강자성체는 J가 약간 작다. ② 감자: H' = (N/μ₀)J, 구 N = 1/3. ③ 자극: m = J×S — 200×0.01π = 2π [Wb]. ④ 개념: J ↔ 분극도 P, 자화 원인은 전자 스핀, χ = C/T.
자성체에 대한 자화의 세기를 정의한 것으로 틀린 것은?
정답 ④ · 자화의 세기 는 단위 체적당 자기모멘트, 또는 단위 면적당 자화된 자하량(자화선 밀도)으로 정의되며 의 관계를 갖는다. 이는 보기 ①②③ 모두 동일한 개념을 다르게 표현한 것으로 옳다.
자화의 세기 J는 자기모멘트의 체적밀도(자화선 밀도)이고, 자기력선 밀도는 자속밀도 B이다.
균등하게 자화된 구(球)자성체가 자화될 때의 감자율은?
정답 ② · 균등 자화된 구(球) 자성체의 감자율은 이다. 감자율은 자성체 형상에 따라 달라지며, 환상(고리)철심은 감자율이 0, 무한히 긴 봉은 0에 가깝고, 구는 , 평판형(자화방향이 두께방향)은 1에 가깝다.
균등 자화된 구(球) 자성체의 감자율은 1/3으로, 형상에 따른 고정값이다.
길이 20cm, 단면의 반지름 10cm인 원통이 길이의 방향으로 균일하게 자화되어 자화의 세기가 200 wb/m²인 경우, 원통 양 단자에서의 전 자극의 세기는 몇 wb인가?
정답 ② · 원통이 길이 방향으로 균일하게 자화되었을 때 자화의 세기 는 자화전극밀도(자극면의 자극 밀도)와 같으므로, 전 자극의 세기 (단면적)이다. 반지름 m이므로 단면적 이고, 이므로 [Wb]이다.
균일 자화 시 전 자극 세기 m = J × 단면적이고, 길이는 쓰지 않는 함정 정보다.
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