자기 수축: 자기성 물질의 특성
자기 수축은 일부 자성 물질이 외부 자기장에 의해 자화될 때 그 모양이나 크기가 변하는 특성을 의미합니다. 자기 수축으로 인한 재료의 크기나 길이의 변화는 적용된 자기장의 강도와 방향, 재료의 자성 이방성 및 결정 구조에 따라 달라집니다.자기장, 재료의 자성 이방성 및 결정 구조에 따라 달라집니다.
자기 수축은 전자기 에너지를 기계 에너지로 변환하거나 그 반대로 변환하는데 사용할 수 있으며, 작동기, 센서, 트랜스듀서, 트랜스포머, 모터, 발전기 등 많은 응용 분야의 기반이 됩니다.
자기 수축이란?
자기 수축은 1842년 제임스 조울이 철 막대가 자기장에 의해 길게 늘어났을 때, 또는 폭으로 자기장을 가했을 때 약간 수축했다는 것을 관찰하면서 처음 발견되었습니다. 이 현상은 조울 효과로 알려져 있으며, 대부분의 페로자성 물질 (외부 자기장에 의해 자화되는 물질)과 일부 페리자성 물질 (두 개의 서로 다른 자성 하위 격자를 갖는 물질)에서 발생합니다.
자기 수축의 물리적 메커니즘은 자성 물질의 내부 구조, 즉 미세 영역인 도메인과 관련되어 있습니다. 각 도메인은 일정한 자화 방향을 가지며, 이는 재료의 자성 이방성 에너지 (재료가 특정 결정 방향을 따라 자화 방향을 정렬하려는 경향)와 자기 정적 에너지 (재료가 자기 극을 최소화하려는 경향) 사이의 균형에 의해 결정됩니다.
외부 자기장이 자성 물질에 적용되면, 도메인에 토크를 가하여 도메인이 회전하고 자기장 방향과 일치하도록 합니다. 이 과정에는 도메인 벽 (다른 자화 방향을 가진 도메인 간 경계)의 이동과 결정 격자 (재료 내의 원자 배열)의 변형이 포함됩니다. 결과적으로 재료는 그 자기 수축 변형 (자기 수축으로 인한 길이나 부피의 변화율)에 따라 모양이나 크기가 변합니다.
자기 수축 변형은 다음과 같은 여러 요인에 따라 달라집니다:
적용된 자기장의 크기와 방향
재료의 포화 자화 (최대 가능한 자화)
재료의 자성 이방성 (특정 자화 방향의 선호도)
재료의 자기 탄성 결합 (자화와 탄성 변형 간의 상호작용)
재료의 온도 및 응력 상태
자기 수축 변형은 재료가 자기화되었을 때 팽창하거나 수축하는지에 따라 양수 또는 음수가 될 수 있습니다. 일부 재료는 높은 자기장에 노출되었을 때 자기 수축 변형의 부호가 역전되는 것으로 알려져 있으며, 이를 비야리 역전이라고 합니다.
자기 수축 변형은 광학 간섭법, 변형 게이지, 압전 트랜스듀서, 또는 공명 기법과 같은 다양한 방법으로 측정할 수 있습니다. 자기 수축을 특성화하는 가장 일반적인 매개변수는 자기 수축 계수 (또는 조울 계수)로, 다음과 같이 정의됩니다:
λ=LΔL
여기서 ΔL은 재료가 자기화되지 않은 상태에서 포화 상태까지의 길이 변화이고, L은 초기 길이입니다.
자기 수축 재료
자기 수축을 나타내는 재료는 많지만, 일부 재료는 더 높은 값과 더 나은 성능을 가집니다. 몇 가지 자기 수축 재료의 예는 다음과 같습니다:
철: 철은 고 포화 자화와 낮은 비용으로 인해 가장 일반적이고 널리 사용되는 자기 수축 재료 중 하나입니다. 그러나 철도 자기 수축 계수가 낮음 (약 20 ppm), 높은 히스테리시스 손실 (각 자화 주기 동안 소모되는 에너지), 높은 유도 전류 손실 (재료 내 도체에서 유도된 전류로 인해 소모되는 에너지) 등의 단점이 있습니다. 철은 또한 낮은 큐리 온도 (재료가 페로자성 특성을 잃는 온도)를 가지고 있어 고온 응용 분야에서의 사용이 제한됩니다.
니켈: 니켈은 철보다 자기 수축 계수가 높습니다 (약 60 ppm), 하지만 높은 히스테리시스 손실과 유도 전류 손실을 가지고 있습니다. 니켈은 또한 낮은 큐리 온도 (약 360°C)와 부식되기 쉽습니다.
코발트: 코발트는 중간 정도의 자기 수축 계수 (약 30 ppm)를 가지지만, 높은 포화 자화와 높은 큐리 온도 (약 1120°C)를 가지고 있습니다. 코발트는 또한 낮은 히스테리시스 손실과 유도 전류 손실을 가지므로 고주파 응용 분야에 적합합니다.
철-알루미늄 합금 (Alfer): 이 합금은 높은 자기 수축 계수 (약 100 ppm), 높은 포화 자화, 높은 큐리 온도 (약 800°C)를 가지며, 낮은 히스테리시스 손실과 유도 전류 손실, 그리고 좋은 기계적 특성을 가지고 있습니다. 그러나 제조가 어려우며 특수 열처리가 필요합니다.
철-니켈 합금 (퍼말로이): 이 합금은 낮은 자기 수축 계수 (약 1 ppm)를 가지지만, 높은 포화 자화와 높은 투자율 (재료가 내부 자기장을 지원할 수 있는 능력)을 가지고 있습니다. 또한 낮은 히스테리시스 손실과 유도 전류 손실을 가지므로, 자기 차폐 및 기록 응용 분야에 이상적입니다.
코발트-니켈 합금: 이 합금은 중간 정도의 자기 수축 계수 (약 20 ppm)를 가지지만, 높은 포화 자화와 높은 큐리 온도 (약 950°C)를 가지고 있습니다. 또한 낮은 히스테리시스 손실과 유도 전류 손실, 그리고 좋은 부식 저항을 가지
