자기학에서 투자율과 자화율은 자성체의 특성을 정의하고 이해하는 데 중요한 개념입니다. 이러한 물리적인 특성들은 자기장과 관련이 깊어 자석 및 전자기장에 대해 이해할 수 있습니다. 특히 투자율과 자화율은 자화와 관련이 있으며, 이 두 가지 속성은 자기회로와 자성체의 특성을 설명하고 설계하는 데 역할을 합니다.이와 함께 자속밀도와 자기회로에 대해 살펴보고 전기회로와 비교해 보도록 하겠습니다.
투자율(Permeability)
투자율은 어떤 매질이 특정한 자기장에 노출될 때, 그 매질이 얼마나 강하게 자화되는지를 나타내는 물성값입니다. 일반적으로 투자율은 그리스 문자 μ로 나타내며, 국제 단위는 헨리 매 미터(H/m)입니다.
자성체의 자화 세기 J는 자성체 내의 자기장 H에 비례하므로 J=χH로 표현됩니다. 여기서 χ는 자화율(Susceptibility)로, 자성체의 재질에 따라 결정됩니다. 자속밀도 B는 B = μH의 관계가 성립하며, 이 μ를 자성체의 투자율이라 합니다. 또한, 자성체의 투자율 μ와 진공의 투자율 μ₀ 간의 비율을 상대 투자율이라 하며, 이는 μr = μ/μ₀로 표현됩니다.
강자성체 이외의 물질에서는 투자율 μ와 자화율 χ가 일정 상수로 취급되지만, 강자성체에서는 자기포화로 인해 일정하지 않다는 특징이 있습니다.
진공의 투자율과 상대 투자율
진공의 투자율은 일반적으로 μ₀로 표기되며, 이 값은 국제 단위계에서 단위 암페어를 정의하는 데 사용되었습니다. 2019년 개정 전까지 진공의 투자율은 국제 표준이었으며, 정확한 값은 μ₀ = 4π×10⁻⁷ H/m 또는 약 1.2566370614359 μH/m입니다.
매질의 투자율과 진공 투자율의 비는 상대 투자율(μr)로 표현되며, 이는 μr = μ/μ₀로 계산됩니다.
투자율(Permeability)과 자화율(Susceptibility)
투자율(Permeability)과 자화율(Susceptibility)은 자기장과 관련된 물리적인 특성을 나타내는 두 가지 다른 개념이지만, 밀접한 관련이 있습니다.
투자율(Permeability)
투자율은 물질이 주어진 자기장에 대해 얼마나 자화되는지를 나타내는 값입니다. 주로 그리스 문자 μ (뮤)로 표기되며, 자기장을 통과하는 능력을 나타냅니다. 투자율과 자화율 사이에는 다음과 같은 관계가 있습니다
B = μH
여기서 B는 자속밀도, H는 자기장의 강도입니다.
자화율(Susceptibility
자화율은 물질이 외부 자기장에 얼마나 강하게 반응하는지를 나타내는 물성입니다. 일반적으로 χ (그리스 문자 카이)로 표기되며, 자화율이 클수록 물질은 외부 자기장에 민감하게 반응합니다. 자화율은 다음과 같은 관계식으로 표현됩니다: J = χH, 여기서 J는 자화의 세기, H는 자기장의 강도를 나타냅니다.
자속밀도 (Magnetic Flux Density)
자성체 내의 자속에 따라 자성체의 내부에는 자계 H에 의한 자력선과 자화의 세기 J에 의한 자화선이 동시에 존재합니다.
자성체의 종류에 관계없이 자계 분포를 통합하기 위해
B = μ₀H + J = (μ₀ + χ)H = μH
의 벡터량 B를 도입합니다. 이것을 자속밀도 또는 자계유도도(magnetic induction)라 하며, 단위면적당의 자속수로 표현되며, 단위는 [Wb/㎡] 또는 테슬러(tesla, T)를 사용합니다.
자기회로 (Magnetic Circuit)
자성체에 의해 자속이 지나기 쉽게 하는 통로를 자기회로라 합니다. 투자율 μ인 자성체 중의 자계강도를 Ḣ, 자속밀도를 Ḃ, 자속을 Φ̇, 단면적을 Ṡ, 길이를 ℓ로 하여 전기회로의 전류와 전위차에 대해 자속과 자위차를 대응시켜 [자위차] = Ḣℓ, [자속] = Φ̇의 비를 생각하면
F = NI = RmΦ
Ḣℓ/Φ̇ 이것을 자기저항이라 합니다.
또 Ḣℓ의 전위차 Ḟ 를 만드는데 코일전류에 의한다면 주회로에서의 법칙에 따라 Ḣℓ = Nİ만큼의 암페어 회수가 필요하며, 이것은 기전력에 대응하여 Nİ로 표현됩니다.
따라서 전기회로와 자기회로는 다음과 같은 관계가 형성됩니다.
결론
투자율과 자화율은 자기학에서 핵심적인 물리량으로, 자성체의 특성을 정량적으로 이해하는 데 사용됩니다.
투자율은 얼마나 잘 자화되는지를 나타내며, 자화율은 자성체가 얼마나 강하게 자기장에 반응하는지를 나타냅니다. 이러한 물리량들은 자기회로와 자기소자 등 다양한 응용 분야에서 중요하게 활용되며, 자석, 전자기장 등의 현상을 이해하는 데 도움이 됩니다.
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