자성체의 종류와 성질[강자성체,상자성체,비자성체]

 

전기차 모터에서 사용되는 자성체의 투자율과 비투자율이란

자성체(Magnetic Material)

이전글에서 자성체의 투자율과 비투자율에 대하여 알아봤다. 그렇다면 자성체를 구분하는 데 있어서

투자율로 변동한다는 사실정도는 어렵지 않게 추론할수있고 이러한 특성을 자기 분극의 정도를 나타내는 물성값 정도로 정의를 내릴 수 있는데 이에 따라 이 특성이 달라지게 된다.

 

그렇다면 그수치에 따라 이를 구분하는 기준이 있을 텐데 이에 대해서 먼저 이야기해 보자

비자성체 (nonmagnetic)

 비자성체는 외부 자기장에 거의 영향 받지 않으며 대략적으로 비투자율이 1이라 크게 자성에 영향이 없다라고 보는 것이 이해하기 쉽다. 보통의 반자성체와 상자성체를 묶어서 이야기하는데 아래에서 이야기를 더 진행해 보자

반자성체(Diamagnetic)

자화율 이(-10^-5~-10^-9 ) 정도로 온도에 무관하게 음의 자화율을 가지며 아르곤 같은 비활성기체와 수소 그 외 대다수의 비금속 물질이 이에 해당하며 결국 자석을 아무리 가져다 붙인다고 해도 자화가 되지 않는 재료들이라고 이해하자

 

유기물질에서 많이 발견되는 형질로 외부자기장이 없으면 비자화 상태지만 외부 자기장이 가해지면 내부자장이 반대반향으로 나타난다.

상자성체 (Paramagnetic)

 

상자성체의 자화율( magnetic susceptibility)은 10^-3~ 10^-6 사이의 양수값을 지닌다.

대부분의 가스와 알칼리성 금속이 이에 해당한다 평시에는 무작위 방향성으로 총합이 0에 가깝지만 외부자기장이 가해진다면 자기 모멘트의 방향대로 유도며 자속밀도가 증가한다.

 

이 녀석들은 전자의 궤도 운동과 스핀에 의한 자기 모멘트가 정확히 상쇄되지 않아, 원자가 어느 한 방향으로 자기 모멘트를 가지게 되는 물질이긴 하지만 이를 활용하기에는 무리가 있어 그냥 이러이러한 특성들을 지니는 

강자성체(Ferromagnetism)

크게 2가지 특성으로 정의되며

1. 자화율은 인가되는 자계의 세기에 따라 변화하고

2. 큐리온도 이하에서는 (자성물질이 강자성 특성을 잃고 상자성으로 대체되는 온도) 자화지역이 존재한다는 특성

이두가지의 특성이 가장대표적인 특성이다.

이러한 특성은 결국 철 니켈 코발트 같은 외 같은 여러 합금들이 이에 속하며 이러한 것들을 통해 우리는 모터를 설계한다 생각하자

 

물론 강자성체 또한 페로 페리 반강자성으로 구분되고 이는 자석과 철에서 구분하는 차이를 발생하지만 이는 페라이트계자석을 설명하는데 주로 사용되니 우선은 넘어가자

 

여기서 강자성재료의 경우 보자력에 따라 그 구분을 나누는데 연자성 재료와 경자성 재료로 구분한다.

 

전기차모터 자성재료[히스테리시스 곡선의 활용]

 

 히스테리시스의 보좌력을 활용해 영구 연자성의 경우 낮은 보자력을 가지고 통로의 역할을 잘할 수 있는 재료를 사용하고

경자성 재료의 경우 자석에 주로 사용한다.

 

물론 이에 따라 철심의 경우 고투자율 특성을 지녀야 하므로 꽤나 복잡한 선정과정이 필요하지만 이는 철판 파트에서 제대로 다뤄보도록 하자 조금 쉽게 정리해 주면

 

연 자성 재료 (Soft Magnetic Material)  모터의  철심에 주로 활용

경 자성 재료 (Hard Magnetic Material) 영구 자석에 활용

 

정도로 이해하고 보자력이 낮고 자기 포화가 큰 재료의 경우 철심으로 큰 보자력을 가지는 재료의 경우 자석으로 이용한다 정도만 알아주자 실제로 이걸 만드는 과정 또한 흥미로우니 다음글에서 천천히 다뤄보겠다.

 

위에 내용을 간단한 표로 정리해 보면

	반자성체	상자성체	강자성체
자기 쌍극자 모멘트	없음	약함	강함
외부 자기장에 의한 유도	반대	같은방향	히스테리시스 특성
외부자기장 영향	자기모멘트 형상	전자 스핀에 의한 자기모멘트 형성	영구자기 모멘트
자화율	-	~
투자율	1	1	1
물질	구리 금 은	알루미늄 마그네슘	철 니켈 코발트

 

연 자성 재료 (Soft Magnetic Material)	경 자성 재료 (Hard Magnetic Material)
모터의  철심에 주로 활용	자석에 주로사용
낮은 보좌력 고투자율 높은 포화 자화	큰 보좌력

 

포화자화와 투자율의 개념은 다음글을 참조해 주기를 바라며 이만 글을 마치겠다.

 

전기차 모터 재료역학[투자율(Permeability)]