강자성

자연에서 발견되는 두 물질, 즉 천연자석(산화철 형태의 자철석(Fe₃O₄)과 철(Fe)은 인력(引力)이 있기 때문에 천연 강자성체라고 부른다.

약 2,000년 전에 발견되었으며, 이 두 물질로부터 자기연구가 시작되었다. 오늘날 생활필수품인 전기 모터, 발전기, 변압기, 전화, 스피커 등에 이 물질이 폭넓게 쓰이고 있다.

강자성은 철·코발트·니켈, 이들의 합금이나 화합물에서 볼 수 있는 자성체의 일종이다. 이것은 가돌리늄(Gd)과 다른 희토류원소 등에서도 발견된다. 강자성 물질은 다른 물질과는 달리 쉽게 자화(磁化)되며, 강력한 자기장 내에서 포화상태(saturation)라고 부르는 한계값을 갖는다.

자기장을 가하고 난 뒤 얼마 있다가 다시 자기장을 제거해도 원래 상태로 돌아가지 않는데, 이러한 현상을 이력현상(履歷現像)이라 한다. 퀴리 온도라고 부르는 특정온도(물질마다 값이 다르다)까지 열을 가하면 강자성 물질은 그 특성과 자기성을 잃지만 다시 냉각하면 강자성체로 회복된다(퀴리 온도).

강자성 물질의 자성(磁性)은 전자석과 같은 역할을 하는 성분원소의 원자배열에 따라 다르게 나타난다.

강자성이라는 말은 어떤 종류의 원자들이 자기 모멘트를 갖는다는 개념에서 유래되었다. 즉 이 원자들은 원자핵에 대한 전자의 운동과 전자 자신을 축으로 하는 스핀 때문에 전자석(電磁石)이 된다. 퀴리 온도 이하의 강자성 물질은 마치 조그만 자석처럼 원자들이 모두 한 방향을 향해서 자기장을 더욱 강화시킨다.

원자나 이온들은 영구자기 모멘트를 가져야 강자성 물질이 된다.

핵에 의한 자기 모멘트는 무시할 정도로 작고 원자의 자기 모멘트는 대부분 전자에서 비롯된다. 한편 원자들의 자기 모멘트를 서로 평행하게 유지시켜주는 원자간의 힘이 있어야 된다. 이와 같은 힘이 없으면 원자들은 열교란에 의해 무질서해지면서 결국 이웃 원자의 모멘트와 서로 상쇄되어 강자성 물질의 특성인 큰 자기 모멘트가 사라지게 된다.

어떤 원자나 이온들이 양(＋)이나 북극, 음(－)이나 남극으로 나눌 수 있는 영구자기 모멘트를 갖는다는 증거는 많이 있다.

강자성체에서 원자 자기 모멘트 간의 강한 상호작용은 쌍극자 정열과 순자화(純磁化) 현상을 일으킨다.

프랑스의 물리학자 피에르 에르네스트 바이스(Pierre Ernest Weiss)는 강자성을 설명하면서 자기구역구조(domain structure)라는 자기(磁氣)질서의 넓은 구역을 가정했다. 그의 이론에 따르면 강자성 결정은 수많은 좁은 구역들로 이루어져 있으며 이 안에 있는 각각의 원자나 이온의 모멘트들은 모두 정렬되어 있다.

이때 이 구역들의 모멘트 방향이 무질서하다면 전체적으로 보아 자화를 띠지는 않지만, 외부에서 자기장을 걸어주면 그 강도에 따라 구역 하나하나가 차례로 외부 자기장 방향에 맞추어 정렬되면서 점차 그 구역이 넓어진다. 결국 포화되는 한계점에 도달하면 전체가 1개의 구역을 이룬다.

자기구역구조는 직접 관측할 수 있는데, 한 가지 방법으로 미세한 자기입자들(보통 자철석을 씀)의 콜로이드 용액이 강자성체 표면 위에 있는 경우 표면극이 생기면서 입자들은 표면 위 임의의 구역에 모여 무늬를 만들게 된다.

이것은 광학현미경으로도 쉽게 관측되며 편광(偏光)·편향중성자·전자빔·X선으로도 관측할 수 있다.

많은 강자성체에서 쌍극자 모멘트는 강한 결합(strong coupling)에 의해서 평행하게 정렬되는데, 이것은 철·니켈·코발트 등의 원소금속과 이들 원소의 합금이나 다른 원소와의 합금에서 발견되는 자기배열과 같다. 이러한 물질들이 강자성체로 가장 많이 사용되고 있다.

같은 자기배열을 갖는 희토류금속으로는 가돌리늄·터븀(Tb)·디스프로슘(Dy) 등이 있지만 터븀과 디스프로슘은 실온 이하에서만 강자성이 된다. 그런데 어떤 합금은 위에서 언급한 원소들을 전혀 포함하지 않아도 평행한 모멘트 배열을 갖는다. 그 예로서 호이슬러 합금인 삼망가니즈염화구리(CuAlMn₃)가 있는데, 여기에서 망가니즈(Mn) 금속 자체는 강자성이 아니지만 망가니즈 원소는 자기 모멘트를 갖는다.

1950년 이후, 특히 1960년대 이후로 이온 결합을 하는 화합물들이 강자성체가 되는 것이 발견되었다.

이 중 일부는 전기부도체이며, 나머지는 반도체가 갖는 정도의 자기전도성을 띤다. 이러한 합성물에는 칼코겐화물(chalcogenide : 산소·황·셀레늄[Se]·텔루륨[Te]의 합성물), 할로겐화물(halide : 플루오린·염소·브로민·아이오딘 등의 합성물) 그리고 이들의 조합성분 등이 있다. 이러한 물질에서 영구쌍극자 모멘트를 갖는 이온은 망가니즈·크로뮴·유로퓸(Eu) 등이며 나머지는 반자성(反磁性)이다. 저온에서 홀뮴(Ho)·어븀(Er) 등의 희토류금속은 모멘트가 평행하지 않기 때문에 스스로 자기화를 유발한다.

첨정석(尖晶石 spinel) 결정구조를 갖는 이온 화합물도 강자성을 나타낸다. 툴륨(Tm)의 경우 32K(－241℃) 이하 온도에서 다른 구조를 이루어 스스로 자화된다.

퀴리 온도라 부르는 임계온도 이상에서는 스스로 자화되는 현상이 사라지는데, 이것은 퀴리 온도에서는 열에너지가 내부인력을 극복할 만큼 충분히 크기 때문이다. 주요 강자성체의 퀴리 온도를 보면 철은 1,043K, 코발트는 1,388K, 니켈은 631K, 가돌리늄은 289K, 디스프로슘은 85K 등이다.

퀴리 온도 이상에서 강자성체는 상자성체(常磁性體)가 된다.