자기구역

요약 자성체의 자화를 구성하는 단위가 되는 영역이다. 강자성체에는 균일하게 자화된 자기구역들이 존재하며 자연상태의 자성체에서는 이러한 자기구역이 무질서하게 모여있어 전체적으로는 자화가 상쇄되기도 한다. 이러한 자성체에 강한 자기장을 가하면 이러한 자기구역들이 정렬하여 강한 자화도를 갖게 된다.

일반적으로 강자성체 내부에 자화의 방향이 서로 다르게 나뉘어진 영역을 말하며 자구(磁區)라고도 한다. 일반적으로 결정성 물질은 결정격자에 자기적 성질을 띄는 전자가 존재하는데 강자성체는 이러한 자기전하가 서로 상호작용을 일으켜 같은 방향으로 정렬하려는 성질을 갖는다. 자연상태에서 이러한 자기정렬성은 무질서도를 유지하려하는 열역학적 경향과 함께 작용하여 전체적으로는 무질서한 분포를 갖지만 부분적으로는 정렬된 상태를 갖도록 한다. 이때 부분적으로 정렬된 영역들을 자기구역이라고 하며 자기구역 간의 경계를 자벽(磁壁,magnetic domain wall)이라고 한다. 강자성체가 외관상으로 자화를 갖지 않는 소자(消磁) 상태가 될 수 있는 것은 이처럼 전체의 자화가 상쇄되는 자기구역 구조를 가지는 경우가 있기 때문이다.

자기구역의 존재는 1907년 프랑스의 물리학자 베스(Pierre Ernest Weiss)에 의해 예상되었고, 실험적으로는 1931년 미국의 비터(Francis Bitter)에 의해 처음으로 그 존재가 알려지게 되었다. 이론적 연구는 1935년 란다우(Lev Davidovich Landau)와 리프시츠(Evgenni Mikhailovich Lifshitz)에 의해 시작되었다.자기구역구조를 결정하는 중요한 요인에는 정자기(靜磁氣)에너지·결정자기이방성(結晶磁氣異方性)에너지·자기변형 등이 있다.

정자기에너지는 강자성체 속에서 생기는 자기극에 의한 반(反)자기장과 자화의 상호작용에너지이다. 자기극이 생기지 않는 경우 정자기에너지는 낮아지고, 이 에너지가 낮아지는 것만큼 자기구역구조는 안정된다. 결정자기이방성에너지는 결정의 축과 자화의 각도에 의존하는 에너지로, 가장 에너지가 낮은 방향을 용이자화방향(容易磁化方向, easy axis)이라 부른다. 각 자기구역 내의 자화는 각각의 용이자화방향으로 정렬하려는 경향을 보이므로 큰 자기구역이 생기는 것을 방해하는 역할을 한다. 자기변형의 경우도 각 자기구역에서의 결정변형이 자벽 주위에서 변형을 일으키지 않는 조건으로 자기구역을 제한한다. 강자성재료의 성질·형상에 따라 이들의 에너지, 자기변형이 서로 균형을 이루어 여러가지 자기구역구조가 나타난다.

자기구역은 일정하지 않으며 외부에서 자기장을 가하면 더욱 빨리 변화한다. 먼저 외부 자기장에 대하여 에너지적으로 안정된, 즉 외부 자기장 방향의 자화성분을 가진 자기구역이 자벽의 이동에 의해 확대되고 자기장방향으로의 자화가 증가된다. 또한 자기장을 크게 하면 각 자기구역 내의 자화가 자기장 방향으로 회전, 정렬하여 자화가 최대치에 이르게 된다.