28-1. 자기장 이해하기

이번 시간에는 자기장에 대해서 나가보려고 해요. 지금까지 쭉 달려온 게 어떻게 보면 전기장에 관련돼서 한번 스텝이 끊겼고요. 그다음에 자기장에 대해서 전자기학 파트의 나머지 절반 부분 한번 나가보도록 하겠습니다. 첫 번째에는 일단 지금까지 스토리 안에서 자기장은 어떤 연관이 있는지 복습 쭉 하면서 흐름 짚어나갈 거고요. 두 번째, 자기장이 발생하는 원리 그다음에 자기장의 대표적인 자석이 있죠? 자기장을 만드는 애들, 자석의 생성 원리 그다음에 자석을 만드는 그런 물질, 이런 걸 자성체라고 그래요. 근데 그거의 종류와 영구자석 그다음에 그 종류는 강자성체, 상자성체, 반자성체 이렇게 있고 그다음에 영구자석이라고 하면 철에 달라붙기도 하고 영구자석이랑 영구자석끼리도 달라붙잖아요? 그럼 똑같이 달라붙는 물질인데, 과연 이 두 놈은 어떻게 다를지 같이 설명해 보도록 하겠습니다. 일단 맨 처음에 우리가 지금까지 전기장에 달려왔다고 생각해도 무방해요. 왜냐하면 어떤 보이지 않는 힘 그 힘이 어디서부터 맨 처음에 발견됐어요? 대전 현상에서부터 발견이 됐죠? 그래서 그 힘을 쿨롱의 법칙이라고 정의를 했어요. 그러고 나서 그 둘 사이에 멀리 떨어져 있음에도 불구하고 작용하는 그 원리가 뭐냐는 거를 꾸준히 연구한 결과 그거는 전기장이라고 하고 그런 멀리 떨어져 있는 애들에 대해서 전기적인 힘은 다 이해했다고 생각을 하고 있었는데 사실 고대 그리스나 이집트 시대 때부터 어떤 자석이라는 물체는 존재해 왔어요. 철에 갖다 대면 탁 달라붙는 그런 물질이었죠. 마치 대전 현상이 일어나기 이전에 마치 이미 대전 현상되어 있는 것처럼 존재하는 그런데 걔는 따져보면 전기적으로 중성이었단 말이에요. 그래서 이 자석이라는 자연상에 존재하는 물질은 도대체 뭘까 이거를 물리학자들 아니면 이론하는 과학자들이 궁금해했었죠. 그런데 이거랑 굉장히 유사한 현상이 하나가 더 있었어요. 이런 실험 세트였는데요. 이게 어떤 실험 세트냐면 아마 네덜란드인가 유럽 쪽의 대학교에서 물리학 교수님이 수업 시간에 여기에 어떤 전류를 흘리면 열이 발생한다. 이런 얘기를 하려고 고안한 실험 세트였어요. 근데 전류를 흘리니까 얘가 그 프레임의 철에 탁 갖다 붙는 거예요. 이게 뭐지, 분명히 대전을 시키지 않았잖아요. 이거를 비비고 이렇게 한 게 아닌데 그래서 뭐가 잘못됐나 하고 반대 방향으로 전류를 흘려보니까 탁 하고 이번엔 반대 방향으로 달라붙은 거예요. 이거는 진짜 우리가 지금까지 보지도, 듣지도 못했던 전기장이라는 상관이 없는 어떤 새로운 뭔가의 힘이다. 그래서 그 힘에 대해서도 보이지 않는, 닿지 않은 존재가 서로 힘을 작용했기 때문에 어떤 장이 펼쳐져 있다고 생각을 하고 그 장에 대해서 한번 연구해보자고 했는데 결과적으로 여기서의 장과 여기서의 장이 똑같았던 거죠. 그래서 그것의 이름을 자기장이라고 붙이게 됩니다. 그래서 자기장에 대해서 우리가 한번 알아볼게요. 자기장이란 거는 어떻게 발생을 하는 거냐면 전하가 어떤 특정 방향으로 움직일 때 움직이는 방향을 엄지손가락이라고 하고 그거를 감싸는 나머지 손가락의 방향으로 이렇게 자기장은 형성이 됩니다. 그럼 만약에 전하가 위쪽으로 이동하고 있어요. 그러면 이 방향으로 자기장이 형성이 되고요. 근데 이 전하 같은 경우에는 플러스 전하를 기준으로 했어요. 만약에 전자, 마이너스 전하가 위쪽으로 움직이고 있다? 그러면 그때는 반대로 플러스 전하가 움직이고 있다고 가정을 하고 이런 방향의 자기장이 생긴다고 오른손의 법칙을 그렇게 적용하시면 됩니다. 그런 경우에 만약에 이런 고리 형태로 되어있는 것에 전류가 흐르고 있다고 하면 자기장은 어떻게 발생할까요? 이런 게 있을 때, 이때도 오른손 법칙을 적용하면 되는 거 아닙니까? 이렇게 하지 마세요. 그러려면 여러분들 플레밍의 왼손 법칙 따로 외워야 되죠. 고리에서의 자기장 따로 외워야 돼죠. 도선에서의 자기장 따로 외워야 돼죠. 유도 상황, 발전 상황 따로 외워야 돼죠. 이럴 필요 없어요. 법칙은 결과적으로 하나일 것 아니에요. 어쨌든 어딘가에 전하는 움직이고 있고 그로 인해 자기장이 생긴다. 이거 하나만 외우면 여기서도 적용 가능합니다. 어떤 식이냐면 여기서 이렇게 어떤 고리의 전류가 흐르고 있다고 생각을 해 봅시다. 그러면 흐르는 이 앞쪽 이쪽으로 전하가 움직이고 있는 그 포인트에선 오른손 법칙을 적용하는 거죠. 그러면 이렇게 안쪽으로 올라오는 그 방향이죠. 그러면 전류가 흐르다가 이쪽 방향에 왔다고 생각해 봅시다. 그러면 여기서 들어가는 방향이죠. 그럼 들어가는 방향으로 엄지손가락을 들어간다고 하고 감싸요. 감싸, 감싸, 감싸다가 여기서도 안에서 올라가는 방향이죠. 이렇게 고리가 있으면 지금 여기에서 한 거예요. 그래서 이쪽으로 화살표를 이렇게 했을 때, 안에서 올라가죠. 그러면 이번엔 뒤쪽에서 생각해 봅시다. 뒤쪽에선 앞에서 이렇게 전류가 흘러서 뒤에서는 이렇게 돌아나가죠? 그러면 전류 방향으로 엄지손가락을 하고 이렇게 감싸서 안에서 올라오죠? 결국 여기 포인트, 여기 포인트, 여기 포인트, 여기 포인트 여러분이 해 보세요. 모두 다 안쪽으로 자기장이 올라가는 방향을 만들고 그게 중첩됩니다. 그게 바로 이 방향이 되겠고 그게 여러분들이 중, 고등학교 때 배운 전류의 방향으로 감싸면 엄지가 자기장의 방향이다. 이런 식으로 하나를 더 외웠어야 되는데 그것도 사실 이거 원리 하나만 익히면 적용이 가능한 부분입니다. 따로 외울 필요 없어요. 그래서 자기장은 이런 원리에 의해서 발생이 되고요. 그다음에 어떤 자기장에 형성된 곳에서 전하가 움직이잖아요. 그러면 그건 또 힘을 받아요. 이게 그러니까 어떻게 보면 쿨롱의 법칙에 이동하는 버전과 비슷한 거예요. 쿨롱의 법칙 같은 경우에는 어땠어요? 쿨롱의 법칙 같은 경우에는 여기에 +전하가 있고, 여기에 + 전하가 있으면 서로 밀어내는 방향의 힘을 받았죠? 이 경우엔 굉장히 정적이었어요. 왜냐면 가만히 있는 +전하 같은 경우에도 모든 방향으로, 뻗어나가는 방향으로 전기장을 만들어 냈었죠? 그리고 얘가 움직이지 않더라도, 어떤 전기장이 있는 공간 하에서 멈춰있는 전하 역시 힘을 받았어요. 근데 자기장의 경우는 어떻게 되냐면요. 자기장을 일단 만들 때부터 전하가 멈춰있으면 안 되고, 이동을 해야 돼요. 즉, 전류가 어떤 방향으로 흘러야 된다는 얘기죠. 그리고 자기장이 생겼는데 거기에 정적인 전하가 정지하고 있다고 힘 절대 받지 않습니다. 이 전하 역시도 움직이고 있어야 힘을 받는다는 거죠. 즉, 전류가 자기장을 만들고 자기장 내에 전류가 흐르는 도선이 힘을 받는다. 이런 식으로 이해를 해도 됩니다. 왜냐면 전류 자체가 전하가 움직이고 있는 그 상태를 말하기 때문이죠. 그래서 이런 식으로 힘을 받게 됩니다. 그 힘에 대한 방향, 이런 거는 vB 이것도 똑같이 오른손 가지고 할 수 있어요. 이것 같은 경우에 보통 플레밍의 왼손 법칙이라고 해서 로렌츠의 힘 이런 식으로 해서 왼손으로 이렇게 삼각형 만들어서 F, B, I FBI 이런 식으로 많이 했었어요. 그런데 제가 실수를 한번 한 적이 있어요. 시험을 보고 있었는데 시험을 보고 오른손으로 문제를 풀고, 왼손으로 해야 되는데 이게 또 플레밍의 왼손 법칙이 발전 쪽에 가면 오른손의 법칙으로 해야 돼요. 근데 오른손에 샤프를 잡고 있으니까 귀찮아서 그냥 왼손으로 두 개 다 한 거야. 그러니까 부호가 틀려서 방향이 완전히 틀려버린 적이 있었어요. 그래서 그런 식으로 법칙마다 손가락이랑 방향 따로따로 외우지 말고, 한 방에 끝내면 좋죠. 이거 같은 경우엔 어떤 식으로 하는 거냐면요. qv × B라는 외적의 형태로 힘의 방향이 결정이 됩니다. 외적이란 거 아직 안 배우신 여러분들 걱정하지 마세요. 이거 어떻게 하는 거냐면요. 이 손가락을 따질 때, 처음 출발하는 부분을 앞에 있는 문자에서 뒤에 있는 방향으로 가면 엄지손가락의 방향이 계산 결과의 방향이랑 똑같습니다. 보시면 여기서 v가 위로 올라가고 있죠? B는 앞으로 나오고 있어요. 이럴 때 어떻게 적용하냐면 맨 처음에 위로 올라가게끔 손가락을 해서 앞으로 나가는 뒤에 걸로 나가요. 그러면 어디죠? 힘은 엄지 손가락, 이쪽 방향 힘이 이쪽 방향 맞죠? 그럼 두 번째 거에 한 번 적용을 해 보겠습니다. 두 번째 방향은 어떻게 돼요? 이것 같은 경우에는 v가 이쪽이고 자기장이 앞쪽이어서 힘이 이쪽 방향이어야 될 것 같은데 q가 지금 -q예요. 그래서 여기서 마이너스가 붙으면 벡터의 마이너스는 반대 방향입니다. 그래서 이 방향이 이 방향이 되는 거고요. 이것 같은 경우엔 이제 어떻게 돼요? 여기서 v가 위쪽이고 자기장은 뒤로 들어가네요? 이렇게 시작해서 이렇게, 그래서 이쪽 방향으로 힘을 받죠. 그리고 이것 같은 경우에는 플러스가 아래쪽으로 향하고 있고 그다음에 자기장이 앞의 방향이니까 또 이쪽으로 힘을 받죠. 이거 여러분들, 제가 한 것 보고 그냥 끄덕끄덕하지 마시고 한번 여러분들이 외적에 대한 방향을 오른손 하나로 익히는 것 한번 해 보시면 좋겠습니다. 그래서 정리를 하자면, 자기장이란 놈은 뭐다? 움직이는 전하가 장에 만드는 어떤 힘을 가할 수 있는 에너지 그거고, 그다음에 그 에너지를 받을 수 있는 애는 뭐다? 걔 역시 움직여야지 받을 수 있다. 그 움직이는 애가 그러면 에너지를 받을 때 힘의 방향은 어떻게 받느냐 움직이는 그 속도를 맨 처음에 네 손가락으로 찌르고 그다음에 자기장의 방향으로 다시 찔렀을 때 나머지 엄지손가락의 방향 그게 바로 걔가 에너지를 받을 때 받는 힘의 방향입니다. 대충 자기장 어떤 느낌인지 아시겠죠? 그래서 자기장을 만드는 놈, 그걸 자석이라고 불렀어요. 자석 여러분들 어릴 때 많이 가지고 노셨고 주변에도 자석이 굉장히 많죠? 냉장고에 전단지 같은 것 붙일 때, 자석으로 탁 붙이잖아요. 그게 바로 자석이에요. 자석이란 뭐냐, 자기장을 발생하는 물체입니다. 자기장은 방금 어디에서 생긴다고 그랬어요? 전하의 움직임으로부터 생긴다고 그랬죠? 그러면 도선은 무조건 다 자석이냐? 이렇게 말씀을 하실 수도 있는데 그래도 어느 정도 우리가 사용하면서 자기장을 느낄 정도면 유의미한 수준의 자기장을 만들어 내는 애여야겠죠? 그래서 그런 애들 같은 경우에는 전자석이라고 말을 해요. 결국에 전류가 만드는 자기장, 전류를 전자석이라고 하기도 하는데 그냥 아무렇게나 돼 있으면 자석의 방향이, 자기장의 방향이 일정하지가 않으니까 이런 식으로 전류를 굉장히 감아놨어요. 걔네 하나, 고리 하나가 만드는 자기장 아까 어디라 그랬어요? 안을 통과하는 애라 그랬죠. 이런 식으로 여기에 감아 놓으면, 이 안쪽으로 쭉 어떤 일정한 방향으로 이렇게 자기장을 만들어 내죠? 그래서 이런 애들을 전자석이라고 그러고요. 이거 같은 경우엔 뭐다? 우리가 회로 이론, 지난 시간에 배웠죠. 기전력을 통해서 그 회로 내에 전기장을 만들어 줘서 전하의 흐름을 만들어 내고 그래서 그 전하의 흐름을 통해서 자기장을 만들어 낸 것 그게 바로 전자석입니다. 이거 같은 경우엔 어떻게 되죠? 우리가 전원을 스위치를 떼면 전류의 흐름이 바로 사라지기 때문에 전기가 흐르지 않으면 자석의 성질을 띠지 않는 일시적으로 자석의 성질을 만들 수 있는 그런 놈이 바로 전자석입니다. 근데 우리가 생각하는 냉장고에 맨날 붙이는 자석은 전류가 흐르지 않더라도 항상 자기장을 만들어 내고 있죠? 그러니까 냉장고에 그렇게 척척 잘 달라붙죠. 걔는 도대체 어떻게 만들어진 놈이냐 걔 같은 경우에는 영구자석이라고 부르는데 물질 내부에 원자가 있고, 전자가 있어요. 그래서 원자핵과 중성자가 가운데에 있고 원자핵엔 양성자와 중성자가 있죠? 그리고 마이너스인 전자가 마치 태양과 지구처럼 얘네가 끌어당기는 힘을 통해서 이렇게 주변을 공전합니다. 또 이런 전자는 지구가 태양 주변을 공전하면서 스스로도 자전을 하듯이 이 스스로도 자전을 하는 성질을 띠고 있는데요. 이러한 전하의 움직임을 통해서 모든 물질은 각각의 원소 하나하나가 어떤 자기 모멘트 약간의 자기장을 발생시키는 그런 성질을 가지고 있습니다. 그런데 그런 자기 성질들이 어떤 물질이 있으면 물질 안에서 이런 방향으로, 원자마다 임의의 방향으로 자기 모멘트가 형성이 되어 있는데 이게 어떤 외부 자기장 혹은 어떤 외부의 충격, 열 이런 거에 의해서 이게 한 방향으로 정렬이 되는 그런 현상이 생겨요. 그럴 경우에 이 물질을 영구자석이라고 부르고 이게 얼마나 잘 정렬이 되느냐는 성질을 말하는 게 바로 투자율입니다. 방금 말씀드린 작은 입자가 가지고 있는 자기장 요소 그거를 자기 모멘텀이라고 부르는데요. 전자의 공전, 혹은 전자의 자전에 의해서 발생을 합니다. 그래서 방금 제가 말씀드린 것처럼 물질은 다 제각각 원소 안에서 특정 방향의 자기 모멘텀을 가지고 있어요. 근데 이것들이 외부 자기장에 의해서 정렬이 될 수 있는데요. 이러한 정렬의 결과가 바로 영구자석입니다. 그렇기 때문에 이거는 딱히 외부에서 전류를 흘리거나 전압을 걸어주지 않더라도 외부 자기장이라고 하면 자기들끼리도 얘한텐 얘가 외부고 얘한테 얘가 외부일 거 아니에요? 자기들끼리 스스로, 가만히 놔둬도 약간씩 정렬을 하는 그런 성질을 가지고 있어요. 그 성질이 굉장히 큰 놈은 자연 상태에서 딱 발견하자마자 바로 자성을 띠고 있는 거죠. 그러니까 우리가 실험하기 전에 그리스 로마 시대나 아니면 이집트 시대에서도 자석이 발견될 수 있었던 거겠죠? 그래서 투자율에 대한 얘기를 해 보려고 해요. 투자율이란 건 뭐냐, 자연 상태에서 이게 정렬이 될 수도 있지만 외부에서 자기장을 가해줄 때 얘가 얼마나 정렬을 잘 하는냐는 거를 이걸 그리스 글자 뮤라고 읽는데요. μH = B 이런 식으로 관계식으로 표현을 해요. 그래서 H라는 거는 외부에서 인가한 자기장 이게 만약에 1보다 크다? 외부에서 인가한 것보다 실제 자기장이 더 커졌네. 아니면 이게 1보다 작다? 그럼 더 작아졌네. 이런 식으로 투자율에 따라서 물질들을 구분을 할 수가 있는데요. 예를 들어서, 우리가 이런 비슷한 것 어디서 봤어요? 우리가 축전기와 전기용량 할 때 아마 보셨을 거예요. 축전기가 이렇게 있으면 여기에 + + +, - - - 이렇게 있는데 이 가운데 허공으로 비워놓지 않고, 어떤 물질을 채워 넣습니다. 이거를 유전체라고 하고, 이 유전체는 외부에서 전기장이 있을 때 그 전기장의 방향을 따라 이렇게 플러스와 마이너스로 분극 되는 그런 성질을 가지고 있어요. 원자핵과 전자가 분리되진 않지만, 한쪽으로 쏠린다는 얘기죠. 여기서 얘가 얼마나 더 분극을 잘하느냐에 따라서 내가 인가한 전기장이 더 강화될 수도 있고, 약화될 수도 있는데 그 분극 되는 정도를 가지고 유전율, 엡실론 이렇게 불렀었어요. 그런 거와 마찬가지로 자기장에서 적용되는 그런 어떤 변수가 바로 투자율, 그래서 뮤라고 부르는 어떤 물질입니다. 어떤 상수입니다. 그래서 우리가 이제는 자성체의 종류를 뮤의 크기에 따라서 나눠보려고 해요. 그러니까 세상의 모든 물질을 저항값을 통해서 나눌 수도 있잖아요? 비저항을 통해서 로우 S 분의 1, 이런 식으로 나무는 저항이 크고, 알루미늄은 저항이 작고 이렇게 나눌 수도 있지만 그 물질들도 모두 원자핵과 전자 이런 것들로 이루어지고 전자가 원자핵 주변을 공전하기 때문에 걔네들 역시 어떤 자기 모멘트를 가지고 있는 애들로 분류를 할 수도 있어요. 그래서 나무는 투자율이 얼마고, 알루미늄은 얼마고 철은 투자율이 얼마고 이렇게 나눌 수가 있어요. 그래서 나눠보면 투자율이 1보다 굉장히 큰 놈은 강자성체라고 하고, 1보다 약간 큰 놈은 상자성체 1보다 약간 작은놈은 반자성체라고 합니다. 이게 각각 뭐고, 어떠한 의미를 지니는지 알아볼게요. 우리가 아까 말씀드렸죠? 이런 식으로 자연상에서 존재하는 외부의 영향을 한 번도 받지 않은 물질들은 자기 모멘트 방향이 다 제각각입니다. 근데 외부에서 자기장이 조금이라도 주어졌을 때 한 방향으로 쫘르륵 정렬을 해 버리는 놈 그래서 내가 외부에서 준 것보다 내부에서 그쪽 방향으로 도와주는 놈을 더 많이 만들어 내서 B = μH에서 뮤가 1보다 굉장히 커서 B를 크게 만드는 그놈, 그놈이 바로 강자성체입니다. 보통 자석, 영구자석이라고 하는 놈이 강자성체 그리고 철, 우리가 자석 갖다 대면 착 갖다 붙는 애 있죠? 걔가 왜 붙는지 아세요? 외부 자기장, 자석을 갖다대면 그 철 내에 있는 자철석들이 정렬을 해 가지고 외부에서의 자기장이랑 얘랑 상호작용을 할 수 있는 상태가 됐기 때문에 달라붙어 버렸던 거죠. 그래서 자석이랑 자석은 +는 +끼리 안 붙고, +는 -랑만 붙지만 철에는 +가 가도 붙고, -가 가도 붙잖아요? 그 원리가 뭐냐면, 철에서 내부 자기장이 반대로 변화해 버려서 +가 가면, +가 붙는 방향으로 변화해 버리고 -가 가면, -가 붙는 방향으로 변화해 버리기 때문에 걔가 그렇게 잘 붙을 수 있던 거예요. 그리고 상자성체란 애는 뭐냐 얘 같은 경우에는 1.00001 이런 투자율을 가지고 있어요. 1보다 약간 큰 애, 그래서 뭐냐면 외부 자기장이 왔을 때 걔를 방해하진 않아요. 근데 그렇게 크게 도움을 주진 않는 놈 약간 변화시키는데 도움 되는 쪽으로 이게 살짝만 정렬되는 놈 그런 놈을 상자성체라고 부릅니다. 그리고 반자성체는 뭐냐, 반자성체 같은 경우에는 얘도 약간 변화를 시키지만, 얘는 반대 방향으로 그래서 강화시키려는 놈은 첫 번째 것과 두 번째 놈이고 그다음에 영향이 유의미하게 주는 놈은 위 놈이고 이 아래 두 놈은 영향을 유의미하게 주지 않아요. 그러니까 어떻게 말하면 얘네 둘은 자석 갖다 대면 안 붙는 놈들이고요. 얘 같은 경우엔 붙는 놈이고. 그런데 안 붙는 이유가 얘는 약간 밖에 도움을 안 줘서 안 붙는 거고 얘는 약간 밖에 해를 안 끼쳐서 안 붙는 겁니다. 이런 식으로 강자성체, 상자성체, 반자성체 나중에 교과서에 꼭 나오실 텐데 뮤가 얼마보다 크다, 뮤가 어떻다 이렇게 얘기하는 사람들은 다 사짜예요. 제대로 이 원리를 모르고 그냥 수식적으로만 하는 거죠. 근데 여러분들은 설사 뮤가 얼마 값인지 모른다고 하더라도 이 원리를 놓치지 말고, 캐치하고 넘어가시길 바랍니다. 그래서 강자성체의 특징에 대해서 알아볼게요. 실제로 자석이라고 하고, 이걸 자기장 단원에서 이걸 배웠으니까 자기장을 만들거나 거기에 영향을 끼치는 놈에 대해서 알아봐야겠죠? 그게 뭐예요? 강자성체. 강자성체의 특징은 첫 번째, 외부 자기장에 대해서 자기장을 증가시키는 놈입니다. B = μH라고 했을 때, 뮤가 1보다 굉장히 큰 놈이죠? 그래서 얘가 왔을 때, 얘를 굉장히 크게 만드는 놈입니다. 두 번째, 외부 자기장이 없어져도 자기장이 남아있는 놈입니다. 우리가 철을 가지고 못을 가지고 자석으로 한 방향으로 비볐을 때 나중에 그 못이 다른 놈을 이렇게 들어 올릴 수 있는 어떤 자석이 된 그런 경험 있으신가요? 그게 바로 강자성체 때문에 가능했던 철의 두 번째 성질인데요. 히스테리시스 곡선이란 게 있어요. 사실 이것만 나오면 갑자기 머리가 아파지고 그랬던 친구들이 많은데, 지금 한 방에 이해를 시켜드리고 영원히 까먹지 않게 도와드리겠습니다. 우리가 H라는 거는 뭐냐, H라는 거는 외부 자기장입니다. B라는 거는 실제 자기장이죠. 그래서 우리가 맨 처음에 어떤 철을 가지고 한 방향으로 정렬시키기 위해서 외부 자기장을 계속 가하는 행위는 여기서부터 시작이 됩니다. 맨 처음에는 실제 자기장도, 아무것도 없는 그냥 랜덤하게 자기 모멘트가 분포되어 있는 그런 철이었죠. 근데 우리가 외부 자기장을 가하면 가할수록 실제 자기장이 늘어납니다. 그래서 이런 식으로 올라가게 되죠. 근데 왜 이렇게 직선으로 올라가지 않고, 이렇게 꺾어지느냐 맨 처음에는 얘네가 외부 자기장을 약간만 줘도 아주 맛있으니까 정렬을 확확 해요. 근데 나중에는 이놈들이 게을러 빠진 거지. 둔감해진 거예요, 외부 자극에. 그래서 내가 아무리 외부에서 자기장을 세게 주려고 해도 이제 더 정렬할 놈이 남지 않았어요. 그래서 한, 두 놈 더 정렬하는 거 가지고 실제 자기장이 많이 증가하겠어요? 그래서 갈수록, 갈수록 기울기는 줄어들어서 나중에는 어떤 일정 점 이상 더 자기장이 생기지 않습니다. 그거를 이제 포화상태라고 불러요. 근데 여기서 중요한 것, 외부 자기장이 이제 없어집니다. 그럼 어떻게 되는지 아세요? 외부 장이 없어지면, 실제 자기장도 없어질 것 같은데 못이 자성을 띠고 있다고 했죠? 그래서 바로 이렇게 왔던 길로 내려가는 게 아니라 외부 작용이 없어져도 실제 자기장은 어느 정도 남아있습니다. 그 남아있는 자기장의 크기를 Br이라고 합니다. 그래서 이 정도 남아있죠. 만약에 맨 처음에 +로만 한 게 아니라 -로 문질렀을 수도 있죠? 그럼 -로 문질렀을 땐 어떻게 되느냐? 이 아래로 내려가게 됩니다. 이렇게 내려가서 이 경우에도 맨 처음에는 맛있다고 자기장이 생기는데 나중 가면 둔화하게 되죠. 이 경우에 내가 만약에 자기장을 없앴다? 그럼 어떻게 되느냐, 이렇게 방향은 반대지만 크기는 똑같은 이 지점으로 자기장이 반대로 남아있게 됩니다. 그래서 Br이라는 거는 이런 거를 의미를 해요. 그다음에 세 번째 특징, 이제 뭐냐면 남아있는 자기장이 있어요. 근데 그거를 중성화시키기 위해서 내가 +로 긁어놨어요. 그러고 나서, 그걸 자기장 자석 -극으로 반대로 긁으려고 하면 얘가 언젠가는 중성이 되겠죠? 그럼 중성이 되기까지의 내가 외부 자기장을 얼마나 세게 걸어줘야 되는가라는 게 바로 이 Hc입니다. 여기서 내가 맨 처음에 +로 가해줬었죠? 근데 - 자기장을 가해주는 거예요. 그래서 -로 가해주면 실제 자기장이 점점 떨어져요. 점점 떨어져서 실제 자기장이 0까지 오게 만드는 내가 가해준 -, 반대 방향의 외부 자기장의 크기가 바로 Hc 그래서 마이너스를 계속 가하다 보면 여기서도 다시 반대 방향으로 정렬이 되기 시작하겠죠? 근데 이놈들이 또 게을러서 언젠가 또 포화가 돼요. 그래서 이 지점이 끝이에요. 여기까지 밖에 정렬이 안 돼요. 그러고 나서, 이제 -로 너무 됐으니까 또 +를 하고 싶은 장난기가 생기죠? 그럼 -로 이미 다 정렬이 되어 있는데 +로 정렬하려고 그러잖아요? 그러면 이번엔 +로 일단 자석을 먼저 없애야겠죠? 그래서 자석을 없앴는데, 외부 자기장을 없앴음에도 불구하고 남아있는 게 이거고, 그다음에 이걸 중화시키기 위해서 좀 더 가하면 이거고. 이런 식으로 해서 이게 한 바퀴 사이클이 돌면 내가 +로 계속 했다, -로 계속 했다, + 했다, - 했다 하다 보면 이런 식으로 왔다 갔다 이렇게 됩니다. 근데 일단은 내가 한번 한 방향으로 자화를 시켰기 때문에 걔를 다시 맨 처음 상태인, 굉장히 랜덤했던 상태 자기 모멘트 분포가 랜덤했던 이 맨 처음 포인트로 돌리는 거는 불가능해요, 이제. 이 방향으로 가려면 우리가 외부의 충격이나 아니면 어떤 특정 아니면 어떤 특정 이상의 온도로 올려야지만 다시 이 포인트로 올 수 있습니다. 그러니까 한 번 장난치고 나면 망한 거예요, 이제. 그러니까 여러분의 못은 어디다 갖다 대도 자꾸 붙어. 자꾸 붙어서 그러면 짜증 나는 거지. 그렇게 된 게 히스테리시스 곡선이 바로 그런 거를 의미합니다. 근데 이제 여기서 중요한 거 특징 마지막 것 하나, 특징 4 이 외부 자기장으로부터 자화의 방향을 바꿀 때마다 이 면적에 해당하는 만큼의 열이 발생해요. 그러니까 맨 처음에 여러분들이 엄청 세게 이거를 자화시키잖아요? 그러면 이 히스테리시스 곡선이 자기장을 맨 처음에 엄청 작은 거를 해. 그러면 여기까지밖에 안 돼서 반대 방향 하기가 굉장히 쉬워요. 여기서 만약 조금씩만 주면 바로바로 훅 반대 방향으로 오니까. 근데 맨 처음에 여러분이 네오디움 자석으로 엄청 큰 걸로 했어. 그러면 여기까지 이렇게 되면 이거 반대 방향으로 오게 하려면 엄청나게 큰 에너지가 들어요. 그래서 이 면적이 해당하는 게 바로 열이에요. 여기 열이 하도 작아가지고, 네오디움 자석 정도 이런 걸로 하면 너무 작아가지고 이 열이 그렇게 크게 느껴지지 않을 거예요. 근데 여러분들이 전자석이나 이런 걸 가지고 무지 센 자기장을 인가했다가, 반대로 인가했다가 인가했다가 반대로 인가했다가 하잖아요? 그게 뭐냐면요. 모터예요. 그래서 이런 게 모터에서 전체엔 아니고 모터의 자석에서 발생하는 열이라고 보시면 됩니다. 모터의 자석보다는 모터의 코어라고 그러죠? 그 코어에서 발생하는 열이 이 열이라고 보시면 돼요. 크게 강자성체의 특징은 이 네 가지이고 그 네 가지를 모두 담고 있는 거는 이 히스테리시스 곡선이라고 아시면 되겠습니다. 이거 같은 경우엔 왜 가져왔느냐면요. 이건 자연 상태에서 가져온 자철석의 N극과 S극을 표시한 거예요. 자연 상태에서 가져왔다고 하더라도 강자성체란 놈은 외부 자기장에 굉장히 민감하기 때문에 자기 주변에 자기 자기장 말고 다른 애가 조금이라도 하면 그냥 귀가 팔랑팔랑해서 바로 걔 방향을 따라가요. 그래서 얘네끼리 같은 방향, 얘네끼리 같은 방향 해 가지고 완전히 랜덤은 아니고 이미 어느 정도 소분포끼리는 자기네들끼리 세력을 형성하고 있다는 거죠. 근데 여기에 외세의 침략이 자기장이 확 주어졌다? 그럼 어떻게 된다? 이놈들 그룹마저도 다 깨지고, 그냥 천하통일 되는 거예요. 그래서 그런 그림 보여드리려고, 이거 하나 가져와 봤고요. 그다음에 강자성체에도 두 개의 분류가 있어요. 아까 맨 처음에 제가 인트로에서 말씀드렸다시피 영구자석이랑 철은 달라요. 영구자석 같은 경우에는 +가 있고, -가 있고 해서 +는 -랑 붙지가 않는데 자석같은 경우에는 +면 +에 붙고, -는 -에 붙고 이런 성질을 가지고 있단 말이에요? 그래서 어떻게 다르냐면 일단 강자성체이기 때문에 히스테리시스 곡선을 통해서 표현이 가능해요. 근데 히스테리시스 곡선의 모형이 Hard Magnet 같은 경우에 Hard Magnet이 뭐냐 영구자석 같은 애. 이런 애들 같은 경우에는 되게 뚱뚱해요, 뚱뚱해. 그리고 Soft Magnet 같은 경우에 이런 거는 뭐다? 이거는 철 이런 애들, 그거는 굉장히 얄쌍해요. 이게 뚱뚱, 얄쌍하면 앞에서 말한 강자성체의 성질 중에 어떤 거가 두 개의 차이를 결정짓는 놈일까요? 특징 3, Hc 이게 바로 두 개의 차이죠? Hc가 뭐였어요? 여기, Hc가 아까 뭐였죠? 어떤 자기장을 없앴음에도 불구하고 남아있는 자기 성질 자석 형태가 약간이라도 자화된 그 성질을 되돌리기 위해서 얼마나 큰 자기장이 드느냐, 이게 바로 그건데 철 같은 경우에는 쉽게, 쉽게 돌아올 수 있는 이유가 우리가 한 번 어떤 자기장을 인가해서 자화가 됐다고 하더라도 공기 중에 있는 자기장이나 이런 걸 통해서 반대 방향으로 자기장이 조금만 생겨도 금방 자기장이 없는 상태로 돌아와요. 그래서 철 같은 경우에 영구자석을 만들기 위해서는 이거를 굉장히 많이 가해가지고 이거를 엄청 많이 가하고, 엄청 많이 가해가지고 그나마 얄쌍한 애를 뚱뚱해 보이게끔 어느 정도 해 줘서 영구자석 만들어 놓은 건데 우리가 흔히 쓰는 자철석 아니면 네오디움 자석 이런 놈들은 외부에서 엔간히 자기장을 세게 걸어줘도 걔 자석이 크게 바뀌지 않아요. 왜냐면 이게 굉장히 멀리 있기 때문에 한번 이렇게 자기장이, 자석이 생겨버린 놈은 이렇게까지 만들기에는 너무나도 큰 자기장이 들어가지고 그걸 다시 원상태로, 그러니까 자기장이 없는 상태로 되돌리기에 어려운 놈이라는 거죠. 그래서 하드 마그넷 같은 경우에 정렬된 자기장을 없애기 위해서 굉장히 큰 자기장이 필요한 애, 큰 외부 자기장. 소프트 마그넷은 정렬된 자기장을 없애기 위해 작은 자기장만 있으면 되는 애. 이렇게 돼서 하드 마그넷 같은 경우에는 영구 자석이라고 그랬죠? 사용처는 전동기에서 모터 부분에 사용이 많이 돼요. 그리고 소프트 마그넷 같은 경우에는 굉장히 얄쌍해서 되게 안 좋을 것 같죠? 이거 어디다 써 이러는데 이거 같은 경우에 장점이 한 바퀴 돌렸을 때 열이 적게 나요. 그래서 전동기에서 아니면 트랜스포머, 변압기에서 교류같은 신호가 들어오는 그곳에서 자기장을 극대화시킬 때 투자율이 큰 건 뭐라고 그랬어요? 외부에서 조금 자기장 줬을 때 그걸 증폭시키는 애라고 그랬죠? 그래서 코일이 있으면 이 사이에다가 어떤 강자성체를 넣어요. 그래서 코일에서 만드는 약간의 자기장을 이만큼 크게 만들기 위해서. 그런데 여기에 증류가 아니라 만약에 교류가 흐르는 상황이라고 해 봐요. 자기장 방향 계속 바뀌는데 이 안에 있는 놈한테서 열 엄청 나겠죠? 열을 최대한 적게 나게 하면서 이 높이는 똑같이 가져가고 싶어. 그럴 놈이 바로 소프트 마그넷이죠. 굉장히 효율적이죠? 그래서 각각 장점과 단점이 있으니까 그거에 따라서 여러분들이 알아서 쓰시면 되겠고요. 오늘 가장 중요한 건 뭐다? 이 히스테리시스의 곡선과 자기장의 발생 원리는 전하의 이동에 따라 생긴다. 그리고 걔가 힘을 주는 애는 정적인 전하가 아니라 이동하는 전하, 즉 전류이다. 이렇게까지만 여러분들이 받아들이시면 자기장 관련해서는 아마 감 잡는 데 무리 없으실 겁니다.