단단한 자석으로도 알려진 영구 자석은 외부 자기장없이 장시간 자성을 유지하는 재료입니다. 자성을 유지하는이 능력은 독특한 내부 구조와 자기 재료를 지배하는 물리적 원리의 결과입니다. 영구 자석이 자기 자력을 유지하는 방법을 이해하려면 원자력 및 도메인 수준의 거동과 디자인의 재료 과학을 탐구해야합니다.
원자 수준의 자기
원자 수준에서, 자기는 전자의 움직임으로부터 발생한다. 전자는 두 가지 유형의 움직임이 있습니다 : 핵 주위의 궤도 운동과 자체 축 주위의 스핀 운동. 두 동작 모두 자기 모멘트로 알려진 작은 자기장을 생성합니다. 대부분의 재료에서, 이러한 자기 모멘트는 무작위로 배향되어 서로를 취소하고 순 자기를 초래하지 않습니다. 그러나, 강자성 물질 (예 : 철, 니켈 및 코발트)에서 인접한 원자의 자기 모멘트는 동일한 방향으로 정렬되어 순 자기장을 갖는 영역을 생성합니다.
자기 영역
강자성 물질에서, 원자 자기 모멘트의 정렬은 전체 물질에 걸쳐 균일하지 않다. 대신, 재료는 자기 도메인이라는 작은 영역으로 나뉩니다. 각 도메인 내에서, 자기 모멘트는 동일한 방향으로 정렬되어 도메인에 순 자기장을 제공합니다. 그러나, 자연화되지 않은 상태에서, 도메인 자체는 무작위로 배향되므로 전체적으로 재료는 순 자기장을 나타내지 않는다.
외부 자기장이 강자성 물질에 적용되는 경우, 필드와 정렬되는 도메인은 크기가 커지고 정렬되지 않은 도메인은 줄어 듭니다. 이 프로세스는 도메인 벽 이동이라고합니다. 외부 필드가 충분히 강한 경우 모든 도메인이 동일한 방향으로 정렬되어 전체 재료의 순 자기장이 발생할 수 있습니다. 외부 필드가 제거되면, 물질의 높은 강압으로 인해 도메인이 정렬되어 있으며, 이는 이는 탈마성에 대한 저항입니다. 이 정렬은 영구 자석이 자기를 유지하는 능력을 제공하는 것입니다.
히스테리시스와 강압
자성을 유지하는 영구 자석의 능력은 히스테리시스 루프와 밀접한 관련이 있으며, 이는 재료의 자기장 강도 (H)와 자기 플럭스 밀도 (b) 사이의 관계를 보여주는 그래프입니다. 히스테리시스 루프는 재료가 외부 자기장에 반응하는 방법과 필드가 제거 된 후 자화를 유지하는 방법을 보여줍니다.
히스테리시스 루프의 주요 특징은 강압이며, 이는 재료의 자화를 0으로 줄이는 데 필요한 역 자기장의 양입니다. 영구 자석은 강압이 높기 때문에 강력한 역 필드가 필요합니다. 이 높은 강압은 물질의 결정 구조와 도메인 벽이 제자리에있는 결함 또는 불순물의 존재로 인해 쉽게 재배치되지 않도록합니다.
재료 조성 및 미세 구조
자성을 유지하는 영구 자석의 능력은 또한 재료 조성 및 미세 구조에 의해 영향을받습니다. 일반적인 영구 자석 재료에는 페라이트, 알 니코 (알루미늄-니켈-코발트) 및 Neodymium-Iron-Boron (NDFEB) 및 Samarium-Cobalt (SMCO)와 같은 희귀 한 자석이 포함됩니다. 이들 물질은 높은 자기 이방성을 가지며, 이는 자기 모멘트가 특정 결정 학적 방향을 따라 정렬하는 것을 선호한다는 것을 의미한다. 세밀한 미세 구조와 결합 된이 이방성은 도메인을 제자리에 고정시키는 데 도움이되며, 외부 필드가없는 경우에도 자석이 자성을 유지하도록합니다.
환경 적 요인
영구 자석은 자기를 유지하도록 설계되었지만 특정 환경 적 요인은 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어, 고온은 열 에너지가 자기 도메인의 정렬을 방해하여 자기의 손실을 초래할 수 있습니다. 이 온도 임계 값은 큐리 온도로 알려져 있으며, 그 위에는 재료가 강자성 특성을 잃습니다. 기계적 충격, 부식 및 강한 외부 자기장에 대한 노출은 시간이 지남에 따라 자석의 성능을 저하시킬 수 있습니다.
결론
영구 자석은 구조 내에서 자기 도메인의 정렬, 높은 강압 및 이러한 도메인을 제자리에 고정시키는 재료 특성으로 인해 자성을 유지합니다. 원자 수준의 자기 모멘트, 도메인 거동 및 재료 과학의 상호 작용은 영구 자석이 오랜 기간 동안 자기장을 유지할 수 있도록합니다. 그러나 성능은 환경 적 요인의 영향을받을 수 있으며 특정 응용 프로그램에 대한 올바른 재료 및 설계의 중요성을 강조합니다. 기술이 발전함에 따라, 강압과 열 안정성이 훨씬 높은 새로운 자기 재료의 개발은 다양한 산업에서 영구 자석의 가능성을 계속 확대하고 있습니다.
