전기기사 자기분극 자화율 자화의세기 자계의세기 비투자율

자화율, 자화의 세기, 자계의 세기, 비투자율이 무엇이며, 상호간의 관계는? 어떻게 될까요?

자기학에서 자화율, 자화의 세기, 자계의 세기, 비투자율은 중요한 개념입니다. 

이들은 자성체가 외부 자기장에 의해 얼마나 자화되는지를 나타내는 물리량들입니다. 

이번 포스트에서는 이들의 정의와 공식, 그리고 상호간의 관계에 대해 알아보겠습니다.

자기분극

 자기분극이란 자석이 아닌 물체가 자석의 영향을 받아 자기 쌍극자 모멘트를 가지게 되는 현상을 말합니다. 

자기분극된 물체를 자성체라고 부르고, 자성체는 강자성체, 상자성체, 역자성체로 구분할 수 있습니다. 

강자성체는 철, 니켈, 코발트 등의 금속으로 이루어져 있으며, 

외부 자계를 없애도 자기력선을 잘 통과시키는 특징이 있습니다. 

상자성체는 알루미늄 등의 금속으로 이루어져 있으며, 

외부 자계에 비례하여 자기력선을 통과시키는 특징이 있습니다. 

역자성체는 금, 은, 동 등의 금속으로 이루어져 있으며, 

외부 자계와 반대 방향으로 자기력선을 통과시키는 특징이 있습니다.

 

참고 : 전계내의 분극의 세기

전계내이 분극이란, 전기장이 가해지는 물질 내부의 전하들이 전기장의 방향에 따라 

서로 다른 쪽으로 이동하는 현상을 말한다. 

이때, 물질 내부에는 전기장과 반대 방향으로 작용하는 유도된 전기장이 생긴다. 

이 유도된 전기장의 세기를 전계내이 분극의 세기라고 한다.

전계내이 분극의 세기는 다음과 같은 공식으로 나타낼 수 있다.

P = ε0χE

여기서 P는 전계내이 분극의 세기, ε0는 진공에서의 유전율, 

χ는 물질의 유전율 상수, E는 가해지는 전기장의 세기이다. 

이 공식은 선형 유전체에만 적용된다. 

선형 유전체란, 가해지는 전기장에 비례하여 전계내이 분극되는 물질을 말한다.

 

또한 유전체의 표면 전하 밀도는 분극의 세기 P와 같으며,

다음의 공식으로 표현할 수 있다.

유전체의 표면 전하밀도 = P = ( ε - ε0)E

전계내이 분극의 세기는 물질의 종류와 상태에 따라 다르게 나타난다. 

예를 들어, 물은 액체 상태에서는 강한 전계내이 분극을 보이지만, 

고체 상태에서는 약한 전계내이 분극을 보인다. 

이는 물 분자가 액체 상태에서는 자유롭게 회전할 수 있어서 전기장에 따라 정렬되기 쉽지만, 

고체 상태에서는 결정 구조에 의해 회전이 제한되어서 전기장에 따라 정렬되기 어렵기 때문이다.

전계내이 분극은 일상생활에서 다양한 응용을 찾을 수 있다. 

예를 들어, 커패시터는 전계내이 분극을 이용하여 전하를 저장하는 장치이다. 

커패시터에 가해지는 전압에 따라 커패시터 내부의 유전체가 전계내이 분극되어서 

양쪽 판 사이에 유도된 전하가 생긴다. 

이렇게 저장된 전하를 필요할 때 사용할 수 있다.

 

 

 

자화율

자화율은 자성체가 얼마나 잘 자기분극되는지를 나타내는 물리량입니다. 

수식으로 나타내면 다음과 같습니다.

J = χH

여기서 J는 자화의 세기, H는 외부 자계의 세기, χ는 자화율입니다. 

J는 체적당 자기 쌍극자 모멘트의 합을 나타내고, 

H는 체적당 자기력선의 수를 나타냅니다. 

χ는 물질의 성질에 따라 다른 값을 가지며, 

강자성체의 경우 0보다 매우 큰 값을 가지고, 역자성체의 경우 0보다 작은 값을 가집니다.

 

투자율

자화율과 관련된 다른 물리량으로 투자율이 있습니다. 

투자율은 물질이 얼마나 잘 자기력선을 통과시키는지를 나타내는 물리량입니다. 

수식으로 나타내면 다음과 같습니다.

B = μH

여기서 B는 내부 자속밀도, μ는 투자율입니다. 

B는 체적당 자기력선의 수를 나타내고, μ는 물질의 성질에 따라 다른 값을 가지며, 

진공에서의 값은 μ0로 정해져 있습니다.

투자율과 자화율은 다음과 같은 관계식을 만족합니다.

μ = μ0(1 + χ)

따라서 위의 식들을 이용하면 다음과 같은 공식들을 유도할 수 있습니다.

J = μ0(μ - 1)H

B = μ0μH*

J는 자화의 세기, H는 외부 자계의 세기,  B는 내부 자속밀도, μ는 투자율

이러한 공식들은 자성체와 자기회로에 관한 문제를 풀 때 유용하게 사용할 수 있습니다.

이상으로 자기분극과 자화율, 공식에 대해 간단히 알아보았습니다.