온도는 자석에 어떤 영향을 미칩니까?

자석철, 니켈, 코발트를 포함한 금속을 끌어당기는 보이지 않는 역장을 생성합니다. 열은 자석의 작동 성능에 영향을 미칩니다. 더워지면 자석이 약해집니다. 매우 높은 열에서는 자성을 멈춥니다. 온도의 영향을 이해하는 것이 중요합니다.

열이 자석에 어떤 영향을 미치는지 알면 다양한 작동 온도에서 안정적으로 작동하는 장치와 시스템을 엔지니어링할 수 있습니다.

이 기사는 홍보될 것입니다자기의 개요를 설명하고 온도가 영구 자석과 전자석에 어떻게 영향을 미치는지 설명합니다. 또한 퀴리 온도와 자석에 대한 온도 영향이 필수적인 설계 요소인 응용 분야에 대해서도 논의할 것입니다.

자석이 작동하는 이유는 무엇입니까?

자석은 전자라고 불리는 내부의 작은 입자 때문에 작동합니다. 전자는 작은 회전 자석처럼 작용합니다. 대부분의 경우 전자는 무작위로 모든 방향으로 회전합니다. 그러나 자석 재료에서는 전자 스핀이 정렬됩니다.

정렬된 스핀은 두 끝(북극과 남극)으로 전체 자기장을 만듭니다. 북쪽과 남쪽처럼 반대 극은 서로 끌어당깁니다. 그러나 동일한 극은 두 개의 북쪽을 밀어냅니다.

자석의 강도는 자석이 무엇으로 만들어졌는지에 따라 달라집니다. 일부 재료는 다른 재료보다 전자 스핀을 더 잘 정렬합니다. 스핀이 뒤섞이는 것에 저항하는 이러한 능력을 보유력이라고 합니다. 유지력이 높을수록 자석이 더 강해집니다. 함께 회전하는 수많은 전자의 깔끔한 정렬로 인해 자석이 금속에 달라붙을 수 있습니다!

영구 자석과 전자석

영구 자석과 전자기 자석을 포함하여 두 종류의 자석이 존재합니다. 영구자석은 자성을 유지합니다. 철, 니켈, 코발트 및 희귀 금속으로 만들어졌습니다. 이들 물질의 원자 스핀은 자발적으로 정렬됩니다.

전자석은 철심 주위의 와이어 코일을 통해 전류를 흐르게 하여 만들어집니다. 자기장은 전선의 전류에 의해 생성됩니다. 전류가 멈추면 전자석은 자성을 잃습니다. 

영구자석과 전자석은 온도에 따라 다른 영향을 받습니다. 각각을 살펴보겠습니다:

온도가 영구 자석에 미치는 영향

영구 자석은 특정 온도 범위에서만 작동합니다. 영구자석은 퀴리점이라는 특정 온도 이상으로 가열되면 자성을 잃게 됩니다.

퀴리점에서 자석 재료 내부의 작은 스핀은 정렬되지 않고 임의의 방향을 가리키기 시작합니다. 영구 자석이 자성을 멈 추게 만듭니다.

일반적인 자석 재료의 퀴리 온도

퀴리점 이상으로 영구 자석을 가열하면 완전히 비자성이 됩니다. 이 지점 이상에서는 자성을 생성하는 원자 스핀이 중단됩니다. 이는 철, 니켈 또는 코발트의 영구 자석이 모든 자기적 특성을 잃게 만듭니다.

일반적으로 이러한 완전한 자기소거는 기존 자석에서는 되돌릴 수 없습니다. 자석은 또 다른 강한 자기장에 노출되어 다시 자화되어야 합니다.

그러나 일부 네오디뮴 또는 사마륨 코발트의 희토류 자석은 퀴리점을 지나 가열한 후 자성을 회복할 수 있습니다. 그러나 매일 사용하면서 가열과 냉각을 반복하면 시간이 지남에 따라 자성이 조금씩 줄어들 수 있습니다.

퀴리 온도에서 영구 자석은 가열됨에 따라 점차 강도를 잃습니다. 더 많은 열은 원자가 더 많은 진동 에너지를 회전하게 만듭니다. 이러한 정렬된 스핀의 교란은 자기장을 꾸준히 약하게 만듭니다.

다행스럽게도 온도가 증가함에 따라 자성이 점차적으로 손실되는 현상은 되돌릴 수 있습니다. 영구 자석이 냉각되면 원자 스핀이 다시 정렬되고 완전한 자기 강도가 회복됩니다. 몇 도의 작은 온도 변화라도 자기장의 힘을 눈에 띄게 변화시킬 수 있습니다.

요약하자면, 영구 자석은 제한된 최적 온도 범위 내에서 가장 잘 작동합니다. 열이 너무 많으면 전체 또는 부분적으로 자기가 소멸됩니다. 온도가 낮을수록 자기장 강도가 향상됩니다.

엔지니어들은 영구 자석을 사용하는 장치를 설계할 때 이러한 열 영향을 고려합니다. 온도를 신중하게 제어하면 자석이 최고의 자기 성능으로 작동할 수 있습니다.

온도가 전자석에 미치는 영향

전자석은 영구자석과 다릅니다. 그들의 자성은 와이어 코일을 통해 움직이는 전기에서 비롯됩니다. 전기를 바꾸면 자기장이 강해지거나 약해집니다.

열은 전선을 통해 전기가 흐르기 어렵게 만들어 전자석에 영향을 줍니다. 전선이 더 뜨거워지면 전기가 내부에서 더 많이 진동합니다. 전기가 한 방향으로 원활하게 움직이는 것이 어렵습니다.

전기가 쉽게 흐르지 않으면 전선을 통해 더 적은 양이 흐를 수 있습니다. 따라서 전자석은 추울 때보다 뜨거울 때 약해집니다.

그러나 평균 고온 및 저온 온도는 전자석에 그다지 영향을 미치지 않습니다. 전선이 과열되지 않는 한 전기 흐름은 약간만 떨어집니다. 자기장은 완전히 사라지는 것이 아니라 약간 약해집니다.

전자석을 많이 냉각시키면 전기가 쉽게 흐르게 됩니다. 예를 들면 -196도인 액체 질소를 사용하는 것입니다! 적은 전력으로 강한 자기장을 허용합니다. 매우 멋진 전자석은 지구 자기장의 100배인 000배의 자기장을 만들 수 있습니다!

요약하면, 와이어가 전기에 더 저항하기 때문에 전자석은 뜨거워지면 약해집니다. 매우 추운 온도는 전기 흐름을 개선하고 자기장을 강화합니다. 그러나 열은 영구 자석처럼 전자석의 자성을 제거하지 않습니다.

자석에 대한 온도 영향의 예

온도가 자석에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해 실제 사례를 살펴보겠습니다.

● 냉장고 자석은 페라이트나 네오디뮴으로 만든 영구자석을 사용합니다. 뜨거워지면 눈에 띄게 약해지지만 다시 냉각되면 완전한 자력을 회복합니다. 오븐처럼 열을 가해 두면 시간이 지남에 따라 천천히 자기가 없어질 수 있습니다.

● MRI 기계는 액체 헬륨으로 과냉각되는 매우 강력한 초전도 전자석을 사용합니다. 냉각을 통해 상세한 신체 스캔에 필요한 강력한 3테슬라 자기장을 생성할 수 있습니다.

● 폐차장에서 자동차를 들어올릴 때 사용하는 대형 전자석을 크레인자석이라고 합니다. 자기력을 이용해 무거운 짐을 들어 올리는 장치입니다. 더운 날에는 자석이 열로 인해 최대 무게를 들어올릴 수 없어 약화됩니다. 전자석 코일을 냉각시키면 더 무거운 물체를 들어올릴 수 있습니다.

● 소형 모터의 작은 네오디뮴 자석은 모터가 과열되면 토크를 잃고 효율성이 떨어집니다. 고온은 회전하는 로터의 영구 자석을 감자시킵니다. 이는 모터를 작동시키는 회전 자기장을 약화시킵니다.

● 자기 테이프와 하드 드라이브는 작은 철 입자를 사용하여 데이터를 저장합니다. 열이 너무 많으면 자성 입자가 뒤죽박죽되어 데이터가 지워집니다. 따라서 자기 저장소에는 데이터가 손실되기 전에 작동할 수 있는 최대 온도가 있습니다.

이 예는 자석을 사용할 때 온도 제어 및 관리가 얼마나 중요한지 보여줍니다. 영구 자석은 자기 특성을 보존하기 위해 냉각이 필요합니다. 동시에 전자석은 과열을 방지하고 와이어 저항을 높이며 전계 강도를 줄여야 합니다.

저온이 자석에 미치는 영향

우리는 고온으로 인해 자석 강도가 감소하는 것을 보았습니다. 영하의 기온은 어떻습니까?

앞서 언급했듯이 열에너지를 줄이면 영구 자석의 원자 스핀 정렬을 안정화하는 데 도움이 됩니다. 따라서 영구자석은 극저온에서 더욱 강해집니다.

액체 질소로 네오디뮴 자석을 -196도로 냉각하면 상온에 비해 끌어당기는 힘이 2-5x 증가할 수 있습니다. 이 초자화 상태는 자기 부상 열차와 같은 새로운 응용을 가능하게 합니다.

전자석은 또한 와이어의 전기 저항(초전도성)이 없기 때문에 낮은 온도의 이점도 있습니다. 이로 인해 작은 코일에서 엄청난 자기장이 발생합니다.

MRI 및 과학 연구용 전자석은 니오븀-주석과 같은 초전도체의 잠재력을 활용하기 위해 액체 헬륨으로 냉각됩니다. 저온 작동으로 고강도 자기장을 더 쉽게 생성할 수 있습니다.

따라서 열은 자석을 약화시키는 반면, 추운 온도는 자석 성능을 향상시킵니다. 영구 자석과 전자석은 모두 분자 수준에서 열 운동을 줄임으로써 향상될 수 있습니다.

온도는 자석의 구조에 어떤 영향을 미칩니까?

자성 물질을 구성하는 작은 빌딩 블록은 가열되거나 냉각되면 변화됩니다. 그것은 자기력에 영향을 미칩니다. 온도가 자석 유형의 결정 격자와 자구를 어떻게 변화시키는지 살펴보겠습니다.

영구 자석에는 도메인이라는 작은 영역이 있습니다. 각 도메인은 정렬된 스핀을 가진 작은 자석과 같습니다. 그러나 이웃 도메인은 임의의 방식을 가리킵니다. 가열하면 깔끔한 도메인 구조가 뒤죽박죽되어 자석이 약해집니다. 냉각은 도메인을 깔끔하게 정렬하여 전체 자성을 강화합니다.

서로 다른 재료는 서로 다른 결정 격자 구조를 가지고 있습니다. 원자의 간격과 순서입니다. 철에는 하나의 구조가 있고 코발트는 다른 구조를 가지고 있습니다. 최상의 도메인 정렬은 각 결정 격자의 특정 원자 간격과 에너지 상태에 따라 달라집니다.

전자석은 고체 물질이 아닌 루프로 감겨진 와이어입니다. 그러나 그들은 종종 결정질의 철이나 강철 코어를 가지고 있습니다. 가열하면 원자가 진동하고 분산됩니다. 이는 코어의 도메인 정렬을 방해하여 자성을 감소시킵니다. 전자석을 차갑게 유지하면 좋은 도메인 구조가 유지됩니다.

전반적으로, 보이지 않는 원자 배열은 온도에 따라 자성이 변하는 이유를 설명합니다. 가열하면 작은 구조가 손상됩니다. 냉각은 깔끔한 질서와 안정성을 제공합니다. 이러한 나노규모 특성을 이해하는 것은 고온 또는 저온용 자석을 엔지니어링하는 데 중요합니다.

올바른 자석 재료 선택

영구 자석은 철, 니켈, 코발트 및 특별한 희토류 금속 혼합물로 만들어집니다. 엔지니어는 온도 범위, 강도 및 비용 요구 사항에 따라 재료를 선택합니다.

알니코 자석에는 철, 알루미늄, 니켈, 코발트가 포함되어 있습니다. 최대 600도까지 작동하지만 자기장 강도는 약 0.5-1.3T로 중간 정도입니다.

세라믹 또는 페라이트 자석은 바륨 및 스트론튬 페라이트를 사용합니다. 가격은 저렴하지만 전계 강도가 0.4T 미만입니다.

사마륨 코발트 자석은 최대 1.1T의 고강도 자기장을 만들 수 있고 350도까지 작동할 수 있지만 가격이 비쌉니다.

철-네오디뮴-붕소 자석은 전반적인 성능이 가장 좋습니다. 그들은 최대 1.4T의 강력한 필드를 갖고 있으며 230도까지 작동합니다.

일반 영구 자석의 자기 특성

전자석의 경우 구리 코일은 전도성을 최대화하고 냉각되어 자기장을 높일 수 있습니다. 철심은 자기장을 집중시킵니다. 니켈 코팅 철은 부식에도 강합니다.

네오디뮴 또는 사마륨 코발트는 비용에도 불구하고 가장 강력한 분야에 가장 적합합니다. 자석이 작동해야 하는 온도 범위에 따라 최상의 재료가 결정됩니다.

자석을 이용한 재미있는 실험

자석과 다양한 재료를 이용하여 집에서 신나는 과학 실험을 해볼 수 있습니다.

냉장 자석:

재미있는 실험을 통해 추운 온도가 어떻게 자석을 더 강하게 만드는지 확인할 수 있습니다. 냉장고 자석을 가져와 냉장고에 붙여보세요. 자석을 냉장고에 몇 시간 동안 놓아두세요. 그런 다음 이를 사용하여 종이 클립이나 기타 자성 금속을 집습니다.

자석이 차가울 때 금속 물체를 더 세게 당기는 것처럼 느껴지나요? 냉장고의 온도가 낮아지면 자석이 일시적으로 더 강력해집니다. 그러나 이러한 자기력 강화는 영원히 지속되지 않습니다.

자석이 냉장고 밖에서 실온으로 따뜻해지면 자성이 정상으로 돌아옵니다. 몇 도의 온도 변화가 눈에 보이지 않는 자기장에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 정말 멋지네요!

구운 자석:

열이 자석을 약하게 만든다는 것을 보여주는 실험이 있습니다. 자석 몇 개를 가져다가 오븐에서 150도 F(65도)의 저온에서 10-20분 동안 굽습니다. 베이킹 후 자석을 제거하고 당기는 힘을 테스트합니다.

종이 클립이나 작은 못을 집어보세요. 열로 인해 자석의 강도가 약해졌음을 알 수 있습니다. 베이킹은 따뜻한 오븐에서 자기력을 줄였습니다. 이는 약한 열조차도 영구 자석의 보이지 않는 자기장을 방해할 수 있음을 보여줍니다.

자기 매력:

두 개의 강력한 자석을 가져 가십시오. 자석 하나를 얼음주머니에 테이프로 붙여 매우 차갑게 만듭니다. 다른 자석을 손난로 팩에 테이프로 붙여서 따뜻하게 만들어주세요. 이제 두 자석을 서로를 향해 천천히 가져와 보세요.

반대 극이 얼마나 강하게 끌어당겨 서로 달라붙는지 주의 깊게 살펴보세요. 따뜻한 자석이 차가운 자석을 끌어당기는 것이 훨씬 더 어렵다는 것을 알게 될 것입니다.

차가운 자석은 여전히 ​​강한 자성을 갖고 있지만 열은 따뜻한 자석의 자성을 약화시킵니다. 이는 온도가 높을수록 자석 사이에 보이지 않는 자기력이 감소한다는 것을 보여줍니다. 꽤 깔끔한!

녹은 자석:

어른들의 도움을 받아 자석이 너무 많이 가열되면 어떻게 자성을 잃는지 보여줄 수 있습니다. 핫플레이트나 오븐을 조심스럽게 사용하여 자석을 770도(1418도 F) 이상으로 가열하세요. 이는 자성이 멈추는 퀴리 온도보다 높습니다.

자석을 너무 많이 가열한 후에는 더 이상 금속 물체에 달라붙거나 다른 자석을 밀어내지 않아야 합니다!

자석이나 고온을 가지고 노는 것은 위험할 수 있으므로 어른의 도움을 받아 안전하게 감독하도록 하세요. 그러나 온도가 자석의 보이지 않는 자기력을 어떻게 제거할 수 있는지 보는 것은 매우 간단합니다. 항상 매우 조심하고 적절한 성인 감독 하에서만 실험을 수행하십시오.

결론

온도는 자석에 큰 영향을 미칩니다. 철이나 네오디뮴과 같은 영구 자석은 퀴리점 위에서 자성을 모두 잃습니다. 온도가 낮을수록 전계 강도가 향상됩니다.

전자석은 전기 전도성이 낮기 때문에 뜨거워지면 점차 약해집니다. 그러나 추위는 초전도 전자석을 매우 높은 자기장으로 끌어올립니다. 세심한 온도 조절이 중요합니다. 영구 자석을 극심한 열로부터 멀리 유지하면 자성이 보존됩니다.

냉각 전자석은 더 강한 자기장을 가능하게 합니다. 뜨겁고 차가운 기술을 활용하면 과학, 의학, 공학 전반에 걸쳐 새로운 자기 응용이 가능해집니다.

온도가 자석에 어떤 영향을 미치는지에 대한 자주 묻는 질문

자석이 온도의 영향을 받았는지 어떻게 알 수 있나요?

자기장이나 알려진 무게를 들어 올리는 능력을 측정하여 자석의 강도를 테스트합니다. 사양을 비교하여 자기 손실을 확인하십시오.

자석의 퀴리온도는 얼마인가?

퀴리 온도는 열 효과로 인해 재료가 영구 자기 특성을 잃는 임계값입니다.