자성 재료
반자성·상자성·강자성·페리자성의 차이, 포화 자화 계산, 자구와 자벽, 단자구 입자와 초상자성, 연자성 재료의 손실, 영구 자석의 보자력과 최대 에너지적을 3지선다 문제로 확인할 수 있습니다.
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자성 재료 핵심 정리
물질의 자성은 원자 자기 모멘트의 배열 방식으로 분류됩니다. 모멘트가 교환 상호작용으로 평행하게 정렬하는 강자성체는 외부 자기장이 없어도 자발 자화를 가지지만, 표면의 자극이 만드는 정자기 에너지를 낮추기 위해 많은 자구로 나뉩니다. 자화 과정에서는 약한 자기장에서 자벽이 이동하고, 강한 자기장에서 자구 내부의 자화가 회전합니다. 부격자의 모멘트가 반평행이면서 서로 상쇄되지 않는 페리자성체(페라이트)는 전기 저항이 높은 산화물입니다.
용도별로 보면 변압기나 모터의 철심에는 보자력이 작고 손실이 적은 연자성 재료를, 모터나 발전기의 계자에는 보자력이 크고 최대 에너지적이 큰 경자성 재료(영구 자석)를 사용합니다. 연자성 재료에서는 결정 자기 이방성과 자기 변형을 작게 하고, 박판화나 비저항 향상으로 와전류 손실을 억제합니다. 영구 자석에서는 강한 일축 결정 자기 이방성으로 보자력을 높입니다. 입자를 작게 하면 단자구가 되고, 더 작아지면 초상자성이 됩니다.
자성 재료 문제 목록(15문제)
- 자화율 χ가 음이고, 그 크기가 10⁻⁵ 정도로 매우 작은 물질의 자성은 무엇인가?
- 마그네타이트(Fe₃O₄) 등의 페라이트가 보이는 페리자성에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 철(BCC, 격자 상수 0.2866 nm)의 원자 1개당 자기 모멘트를 2.22 µB로 한다. 모든 모멘트가 정렬된 0 K에서의 포화 자화 Ms에 가장 가까운 것은 무엇인가? 보어 마그네톤은 µB = 9.27×10⁻²⁴ A·m²로 한다.
- 마그네타이트 Fe₃O₄는 역스피넬형으로, A 자리(사면체 자리)에 Fe³⁺가 1개, B 자리(팔면체 자리)에 Fe³⁺와 Fe²⁺가 1개씩 들어가며, A 자리와 B 자리의 모멘트는 반평행으로 배열된다. Fe³⁺를 5 µB, Fe²⁺를 4 µB로 하고 스핀만 기여한다고 하면, 화학식 Fe₃O₄당 자기 모멘트는 얼마인가?
- 강자성체가 외부 자기장이 없어도 많은 자구로 나뉘는 주된 이유는 무엇인가?
- 강자성체의 입자를 수 µm에서 nm 크기까지 작게 해 갈 때, 입자의 보자력 변화로 옳은 것은 무엇인가?
- 부피 V인 단자구 입자의 자화가 열로 반전할 때의 에너지 장벽을 KV(K는 자기 이방성 상수)로 하고, 측정 시간을 100 s 정도로 하면 KV = 25kT가 초상자성이 되는 경계의 기준이다. K = 1.1×10⁴ J/m³, 온도 300 K, 볼츠만 상수 k = 1.38×10⁻²³ J/K로 할 때, 초상자성이 되는 구형 입자 지름의 상한에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- Fe-약 78%Ni의 퍼멀로이가 매우 높은 투자율을 보이는 주된 이유는 무엇인가?
- 변압기의 철심에 쓰는 방향성 전기 강판(Fe-약 3%Si)이 압연 방향으로 자화했을 때 특히 손실이 작고 투자율이 높은 이유로 옳은 것은 무엇인가?
- 전기 강판의 와전류 손실은 판 두께 t, 주파수 f, 최대 자속 밀도 Bm을 사용하여 t²f²Bm²에 비례한다고 한다(전기 비저항은 같음). 같은 주파수와 자속 밀도에서 판 두께를 0.50 mm에서 0.35 mm로 얇게 하면, 와전류 손실은 원래의 약 몇 배가 되는가?
- 전기 비저항 4.8×10⁻⁷ Ω·m, 비투자율 5000인 전기 강판에 50 Hz의 교류 자기장을 가한다. 표피 깊이 δ = √(2ρ/(ωµ))에 가장 가까운 것은 무엇인가? ω = 2πf, µ = µᵣµ₀, µ₀ = 4π×10⁻⁷ H/m로 한다.
- 영구 자석의 감자 곡선에서 자속 밀도 B를 0으로 만드는 역자기장의 크기를 보자력 HcB, 자화 M을 0으로 만드는 역자기장의 크기를 고유 보자력 HcJ로 한다. B = µ₀(H + M)의 관계로부터 둘의 대소 관계로 옳은 것은 무엇인가?
- 감자 곡선이 B = Br + µ₀H의 직선이 되는(HcJ가 충분히 큰) 이상적인 영구 자석에서 잔류 자속 밀도 Br = 1.40 T일 때, 최대 에너지적 (BH)max에 가장 가까운 것은 무엇인가? µ₀ = 4π×10⁻⁷ H/m로 한다.
- Nd₂Fe₁₄B를 주상으로 하는 네오디뮴 자석이 큰 보자력을 가질 수 있는, 물질로서의 주된 이유는 무엇인가?
- 전기 자동차의 모터 등 고온에서 사용하는 네오디뮴 자석에 Dy나 Tb를 첨가하는 주된 목적은 무엇인가?