홀전자가 한 방향성 띠면 자기장 형성

◆현상과 원리 / 자석의 원리◆

고등학교 교과서에 자석에 의한 자기장의 개념과 성질에 대해서 자세하게 설명하고 있지만, 자석이 다른 물체와 달리 왜 자기장을 형성하는지에 대해서는 다루고 있지 않다. 이를 정확히 설명하기 위해서는 많은 어려운 이론들을 활용해야 하지만, 고등학생이 이해할 수 있는 고전적 물리 이론을 활용하여 간단히 설명해 보도록 하겠다.

자석이 자력을 띠는 가장 결정적인 두 가지 원인은 음의 전하로 대전된 전자가 원자핵 주위를 도는 궤도 운동과 스스로 도는 스핀 운동이다. 양으로 대전되어 있는 원자핵도 원인이 되기는 하지만, 전자가 미치는 영향의 수천 분의 일에 불과하다. 전자 운동은 지구가 태양 주위를 도는 공전운동과 자전운동으로 비유할 수 있다.

전자가 원궤도(고전 물리학의 시각에서 볼 때)를 돌면, 전류가 전자의 회전 방향과 반대로 흐르는 것과 같다. 앙페르의 법칙(오른나사의 법칙)에 따라 오른손 엄지손가락 방향이 전류의 방향이라고 했을 때 나머지 네 손가락이 가리키는 방향으로 자기장이 형성된다. 원자들에 포함되어 있는 전자는 두 개씩 ㅆㅏㅇ을 이루고 있고, ㅆㅏㅇ을 이루고 있지 않은 전자를 홀전자(unpaired electron)라 한다. 그런데 ㅆㅏㅇ을 이룬 전자는 반대의 성질을 가지고 있어 자기장이 상쇄된다. 따라서 홀전자가 원자적 관점에서 자기장을 만드는 원인이 된다.

어떤 물질이 자성체가 되기 위해서는 d궤도(오비탈)의 홀전자들이 일정한 방향성을 지녀야 한다. 원자들이 ＜그림 2＞와 같이 방향성 없이 배치되어 있는 경우 자성을 띠지 않고, ＜그림 3＞과 같이 한 방향으로 배치되면 자성을 띠게 된다. 보통 자연상태에서는 물질 내부의 원자들이 무작위로 배치되어 있기 때문에 자성을 띠지 않지만, 자력이 가해져 일렬로 배치되면 자성을 띠게 된다. 물질에 따라 외부의 자력이 없어져도 배치가 변하지 않아 자성이 유지되기도 하고, 다시 무작위로 배치되어 자성이 사라지기도 한다.
 
철, 코발트, 니켈은 d궤도 상의 홀전자들이 자기장에 따라 같은 방향으로 잘 정렬되기 때문에 쉽게 자성을 띨 수 있어 강자성체(强磁性體)라 한다. 쉽게 자성을 가지기 때문에 자석에도 쉽게 붙을 수 있는 물질이다. 알루미늄, 주석, 백금, 이리듐 등은 자기장 속에서 약한 자성을 띠기 때문에 상자성체(常磁性體)라 하며 구리, 금, 은은 원자들이 외부 자기장에 의해 자기장과 반대 방향으로 정렬되기 때문에 반자성체(反磁性體)라 한다.


원문 : 매일경제 2008-01-05  news.mk.co.kr/newsRead.php?year=2008&no=7654