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admin

2017-01-16 10:24:10

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자석[permanent magnet]

자석의 이름이 붙여진 것에 전자석, 초전도체를 코일로 한 솔레노이드의 초전도자석, 전자나 핵의 운동에 의해 자기장을 가진 원자를 자석에 비유한 원자자석 등이 있으나, 일상적으로는󰡒자석󰡓과 영구자석의 약명으로 사용되는 경우가 많다.

강자성체(페리자성체도 포함)의 자기장인 자발자화가 외부자기장 H로 향한 것을 자화라고 한다. 그 세기를 자화의 세기 I, 또는 자기분극 J로 나타낸다. H를 소거해도 I가 남아 있으면 강자성체는 자석이 된다. 그러나 자석의 자극에서 발생하는 자기장은 자석 내부에도 가해진다. 이것을 반자기장 Hd라고 한다. Hd의 방향은 그림1에 나타난 것처럼 자석의 자기장과 역향이므로 자극에서 나오는 자기장은 감소한다. 그 자기장은 자속밀도 B로 나타내고 있다.

B＝I＋μ0Hd주)

[주) μ0는 진공의 투자율 4π×10-7[H/ m](H∶헨리=Vs/m2)이다. 단위는 MKS계에서는 B와 J에 [T(테슬라)](T=Wb/m2=Vs/m2), H 및 Hd에는 [A/m]을 사용한다. 또 J에 [A/m]을 사용하여 B=μ0(I＋H)로 나타내는 경우, 다시 CGS단위계에서는 B=4πJ＋H로 나타내고 B, J 및 H는 모두 같은 단위이다. 단 단위명칭이 달라서 B와 J에는 [G(가우스)], H[Oe(에르스텟)]이라고 한다. 또 104[G]=1[T], 1[Oe]=103/4π[A/m]으로 환산된다.]

여기서 Hd는 음(陰)이다. Hd는 I와 자석의 형상에 좌우되는 반자기장계수 Nd에 의해 나타난다.

Hd＝－NdI/μ0

Nd는 봉자석의 경우 길수록 작아지고, 무한장(長)에서 0이고 무한단(短)에서 1, 구체(球體)의 경우 Nd=1/3이고 유한의 길이인 자석에서는 반드시 반자기장이 발생한다. 따라서 외부자기장에 의해 자화된 방향과 역향의 자기장인 Hd가 가해지므로, 여기에 자화가 견딜 수 있는 힘이 없으면 자석이 되지 않는다. 견딜 수 있는 힘은 그림2의 자기이력곡선의 제2상한에서 I가 영(零)이 되는 자기장을 목표로 하고 있다. 이것을 보자력 iHc라고 한다. Hd에 견딘 자석의 B는 I에서 μ0Hd를 뺀 값으로 그림 속의 Bd가 된다. 자석에서 취출되는 자기장의 세기는 단면적 S와 Bd의 곱(자속=S․Bd)이 된다. Bd는 Hd에 의해 그림중의 점선과 같이 변화한다. 이것을 감자곡선이라고 하고, Bd가 영(零)이 되는 Hd를 보자력 bHc로 나타낸다. 자석을 길게 하면 Hd가 작아지고 Bd가 커진다. 자석을 길게 하는 것은 체적이 증가하므로 무한히 길어지면 체적당의 세기가 작아진다. 한편 지름을 작게 하여 단면적 S를 작게 해도 Hd를 작게 할 수 있지만 자속이 저하하여 버린다. 감자곡선상의 B와 H의 곱이 최대가 되는 치수일 때 체적당의 자기장이 최대가 된다. 그림3에 감자곡선과 (BH)를 나타내고 있다. (BH)의 최대값을 최대에너지곱 (BH)max[J/m3]이라고 한다. 이 점이 되도록 치수가 정해지면 그 자석에서 체적당 가장 유효하게 자기장을 취출하는 것이다. 따라서 자석의 세기는 (BH