강자성체의 자기이력곡선 4 조 권 용 욱 소 한 울 강 신 형 김 미 정

목차 실 험 목 적 이 론 실 험 방 법 실 험 결 과 논의 및 결론

1) 실험목적 ㆍ 소개 - 강자성체 - 강자성체의 자화과정 및 자화곡선 이해 - 철심(Iron core)의 자화곡선 측정 자기장을 가하면 자화가 일어남 자기장을 제거 시켜도 자화가 남아 있음 (영구자석) - 강자성체의 자화과정 및 자화곡선 이해 - 철심(Iron core)의 자화곡선 측정

2) 이론 자화(Magnetization) 자화의 크기 자화율, 투자율의 정의 외부 자기장(Magnetic Field) H 에 의해 물질 내에 자속밀도(Magnetic induction) B 가 유도되는 것 자화의 크기 Magnetic moment m Magnetization M 자화율, 투자율의 정의

2) 이론 자성관련 단위 지구자기장: 0.7 G 1 G = 10-4 T

2) 이론 반자성(Diamagnetism) 물질 상자성(Paramagnetism) 물질 자성의 종류 물질을 구성하는 원자의 자기 모멘트가 없음 자기장을 가하면 자기장에 반대방향으로 자기 모멘트가 유도됨 상자성(Paramagnetism) 물질 원자의 자기 모멘트가 존재 자기장이 없는 경우 원자의 자기모멘트가 무질서하게 놓임. 총 자기모멘트 없음 자기장이 가해지면 원자 자기모멘트가 자기장 방향으로 정렬, 약하게 자화됨. 알루미늄, 주석, 백금, 이리듐 등

2) 이론 강자성 물질 인접한 원자들의 자기모멘트가 나란히 배열 자구(magnetic domain)를 이룸 자기장을 걸면 자기장 방향으로 강하게 자화됨 자기장 제거 후에도 자화가 남아 있음 철, 코발트, 니켈 합금이 대표적 경우

2) 이론 자화율: 주어진 자기장에 대해서 어떤 물질이 자화하는 정도를 나타내는 값으로 자기화M과 이때의 자기장의 세기 H에 비에 해당한다. 투자율: 물체의 특성으로서 자화 자기장에 의해 물체 내에 형성된 자속 밀도 B를 자화 자기장의 세기 H로 나눈 값에 해당한다. 자기 이력현상: 물질의 자화가 작용할 때의 자기장 값만으로 정해지는 것이 아니라 그 물질의 과거의 자기적 이력에도 의존하는 것

2) 이론 ① 그림 1의 히스테리시스 곡선을 살펴보면 1은 초기상태로 자구들이 무질서하게 배열되어 있어 자화되지 않은 상태이다. ② 외부자계 H을 가해서 감자성체 내의 자속밀도 B를 증가시키면 1에서 3으로 성장한다. ③ 자구 내에서 쌍극자가 외부장의 방향으로 회전함에 따라 자기유도 B가 3에서 4로 더욱 증가한다. 이때 4는 모든 자구가 외부자계 방향으로 정렬된 상태로 자기 포화 상태가 된다. ④ 외부자계 H를 서서히 0으로 감소시키면 자기유도는 4에서 1의 경로에 따르지 않고 4에서 5의 경로를 따른다. 그 이유는 외부장을 0으로 감소하여도 자속밀도 B는 영이 되지 않고 남아 있기 때문이다. ⑤) 외부자계 H를 반대로 증가시키면 외부장과 같은 방향으로 배열된 자구의 성장과 쌍극자회전이 일어나고 B=0이 될때의 역자계 Hc를 보자력이라 한다. ⑥ 역자계를 계속 세게 가하면 포화자기장 –Hs에서 포화유도 –Bs가 얻어질때까지 경로 6~7을 따라 이동한다. 다시 H를 영으로 감소시키면 자계가 증가하여 8의 경로를 따라 자기 포화점 4에 돌아온다. 이러한 과정을 자기 이력이라 한다.

3) 실험방법 실험기구 - 시편 Iron core with yoke(562 11) coil with 250 turns (562 13) 2개 - 장치 Power-Cassy (524 011): programmable current or voltage source Cassy Sensor (524 010)

3) 실험방법 자화곡선 측정 I1: 약 0.1 Hz, 1 V 진폭의 삼각파형 발생 I1(t), U2 (t), 측정, B(t) 계산, H vs B 그래프 탈자: 잔류자화를 제거하는 것 521 39와 연결, 진폭을 서서히 감소 또는 Iron core 막대를 yoke 끝에 수 차례 부딪힘

3) 실험방법

4) 실험결과 소프트웨어의 setting중 trigger파를 선택하여 삼각파발생. 삼각파의 필요성은 자화곡선의 형성과정을 보면 알게 되는데 증가와 감소를 반복하는 인가자장이 필요하기 때문.

4) 실험결과 - 위의 그래프는 시료에 인가된 전류(I1)를 보여주는 그래프이다. 주어진 가운데 처음의 '0'으로 측정되는 부분은 시료에 전류를 인가하지 않았다는 뜻이다. 원하는 자기이력곡선을 만들기 위함.

4) 실험결과 위의 그래프는 반대편 코일에서 발생되는 유도전압이다. N1= 감긴횟수, 250 L=유효길이, 0.5m

4) 실험결과 위의 그래프는 세가지의 인가와 결과로 인하여 측정된 자속밀도이다. 코일내부의 자속밀도에 관련되어 시료를 통과하는 코일의 자속밀도는 증가와 감소를 반복하게 된다. N2=감긴횟수, 250 A=단면적, 0.016m^2

4) 실험결과 전류I와 자속밀도에 관한 자기이력곡선을 그려보았다. 외부자기장은 N과L의 상수에 변수I를 곱한 결과이다. 즉, 비례상수를 제외하면 전류와 자속밀도는H-B곡선의 모양을 예측 할 수 있게 하여 준다.

4) 실험결과 초자기이력곡선이 보이며 증가하는 자기장에 대하여 나타나는 자속밀도이다.

4) 실험결과

4) 실험결과 초 투자율은 위의 식에서 보는것과 같이 B-H의 변화율과 같다. 결과는 9x10^-6Tm/A이다.

4) 실험결과 초 자화곡선이 보이며 증가 및 감소하는 자기장에 대하여 변화하는 자화율을 보이고 있다

4) 실험결과 수식에 의하여 기울기가 초 자화율이며 M(자화율)과 H(자기장)의 단위가 같기 때문에 초 자화율의 단위는 없으며 9588.7이 되겠다. 문헌값은 10^3이상. 차이는 초기조건과 인력의 동원.

5) 논의 및 결론 ㆍ 이번 실험은 강자성체의 자화과정 및 자화곡선을 이해하고 철심의 자화곡선을 측정하고 해석하여 강자성체의 특성을 알아보는 실험이었다. ㆍ 실험을 통해 강자성체는 반복해서 자화시키는 경우 히스테리시스 곡선이 나타남을 확인할 수 있었다. 또 히스테리시스 곡선을 통해서 초기자화곡선, 포화자화, 잔류자화, 보자력을 확인을 할 수 있었다.