온도가 자석의 자력에 미치는 영향

자석 내부 자구의 정렬이 변하면 온도에 따라 자력이 영향을 받습니다. 저온에서는 자력이 증가하고 고온에서는 감소합니다. 가열되면 자석을 구성하는 원자의 움직임이 커지면서 자구의 정렬이 흐트러지고, 그 결과 자기장이 약해집니다.

그러나 자구의 정렬을 안정화하면 자석을 냉각할 때 자력이 증가할 수 있습니다. 온도가 자석에 미치는 영향에 관한 절에서는 퀴리 온도의 정의, 열이 자력에 변화를 일으키는 방식, 최저 온도에서 발생하는 현상을 모두 설명합니다.

퀴리 온도란 무엇인가요?

퀴리 온도(Tc)는 자성 물질이 자기적 특성을 모두 잃는 온도입니다.

 자기 모멘트의 정렬이 흐트러질 수 있는 최고 온도를 나타내는 퀴리 온도는 자성과 온도의 관계를 보여주는 지표입니다. 물리학자인 피에르 퀴리가 이 온도의 명명자로 알려져 있습니다.

예를 들면,

• 네오디뮴 자석은 약 310 °C입니다.
• 프라이드 자석은 약 450 °C입니다.
• 사마륨 코발트 자석은 약 750 °C입니다.
• 알니코 자석은 약 880 °C입니다.

자석은 퀴리점에 도달하면 고유한 특성을 잃으며, 냉각해도 다시 강해지지 않습니다.

저온은 자석에 어떤 영향을 미치나요?

일반적으로 저온에서는 원자의 움직임이 느려져 정렬이 회복되는 데 도움이 되므로 자력이 증가합니다. 그러나 극저온에서는 자석이 취성화될 수 있으며, 일반적으로 네오디뮴과 같은 재료로 제작된 경우 이러한 현상이 나타납니다.

 초전도 자석은 실험실에서 극저온으로 유지되는 경우가 많습니다. 실제로 대부분의 자석은 저온에서 자력이 약간 더 강하고 안정적이지만, 온도가 125 °C 이하로 내려가면 자기력은 점차 감소합니다.

온도가 196 °C로 내려가면 자력은 85~90%로 증가합니다.

열은 자석에 어떤 영향을 미칠까요?

결합된 원자의 작은 영역인 자구는 열에너지로 인해 온도가 상승하면 정렬이 어긋납니다. 그 결과 자력이 점차 감소합니다. 온도가 지나치게 상승해도 자석은 자기 특성을 거의 잃지 않습니다.

이 과정은 열로 얼음이 녹는 현상과 약간 비슷합니다. 일정 지점에 도달하면 이러한 변화를 되돌리기 어렵습니다. 열은 왁스 분자를 더 빠르게 움직이고 더 큰 운동 에너지를 갖게 하며, 그 결과 분자 배열이 더욱 규칙적으로 변합니다.

온도가 계속 상승하면 이러한 분자들의 정렬이 어긋나기 시작하고, 마침내 양 끝이 서로 반대 전하를 띠며 격자 형태의 배열에서 더 이상 서로 마주 보지 않게 됩니다. 자석에 가해진 열이 최대 작동 온도 이하로 유지되었다면, 냉각 후 원래 기능을 회복할 수 있습니다.

자석 재료에 따라 온도에 다르게 반응합니다

자석은 종류에 따라 온도와 압력 변화에 다르게 반응합니다. 물질의 내부 결정 구조와 조성이 이러한 반응을 결정합니다. 여기에서는 가장 일반적으로 사용되는 자성 재료가 온도 변화에 어떻게 반응하는지 살펴봅니다.

Alnico

많은 소비재 및 산업 장비가 Alnico 영구자석에 의존합니다. Alnico 자석은 소 자석, 진행파관, 전기 모터, 일렉트릭 기타 픽업, 마이크, 센서 및 스피커를 비롯한 다양한 장치에 사용됩니다.

그러나 현재는 희토류 자석이 높은 BHmax와 강한 자기장(Br)을 생성할 수 있어 제품 소형화가 가능하므로 다양한 제품에 사용되고 있습니다.

SmCo

사마륨 코발트 자석의 잘 알려진 특징은 탁월한 열 안정성입니다. 최대 350 °C의 온도에서도 자력이 크게 약해지지 않습니다.

NdFeB

시판되는 영구자석 중 가장 강한 자석은 네오디뮴 자석입니다. 그러나 온도에는 가장 민감합니다. 고급 등급(예: N42SH 또는 N52VH) 은 최대 230 °C까지 작동할 수 있지만, 등급에 따라 80 °C를 초과하면 자력이 저하됩니다.

한계를 초과하면 비가역적 탈자가 발생하므로 극도로 높은 온도 조건에는 적합하지 않습니다.

페라이트

페라이트 자석은 가격이 저렴하고 널리 사용됩니다. 산화철과 바륨 또는 스트론튬으로 구성되며, 빙점 이하의 온도에서는 자력이 소폭 감소합니다.

그럼에도 최대 250 °C까지 양호하게 작동합니다. 비용과 신뢰성 사이에서 균형을 이루므로 스피커와 냉장고 자석 등의 용도에 선호됩니다.

~0.11% 손실/ °C(최대 작동 온도 이하에서 가역적)

작동 온도가 최대값 이하일 때 자석은 일반적으로 섭씨 1도당 자력의 약 0.11%를 잃습니다. 다행히 이러한 변화는 가역적이므로 냉각되면 원래 자력으로 돌아갑니다.

 그러나 온도가 정격 범위를 초과하면 일부 손상은 비가역적입니다. 비가역적 감자를 방지하려면 적용 조건에 적합한 자석 등급을 선택하는 것이 중요합니다.

등급별 온도 정격(예: VH/AH 최대 약 230 °C)

각 자석에는 등급과 재료 조성에 따라 고유한 온도 정격이 있습니다. 예를 들어 네오디뮴 자석(NdFeB)은 N95, N42, N35 등의 등급으로 구분됩니다.

각 등급에는 최대 작동 온도 범위가 있습니다. 일반적으로 80 °C에서 230 °C 범위이며, 다음과 같은 특수 고온용 유형이 있습니다. VH(Very High) 및 AH(Additionally High). 이 한계를 초과하면 자력을 비가역적으로 잃을 수 있습니다.

고온에서 자석에는 어떤 변화가 발생하나요?

자석이 고온에 노출되면 두 가지 영향이 발생할 수 있습니다.

가역적 손실:

가열 온도가 최대 작동 온도 이하로 유지되면 자화 감소는 가역적입니다. 이는 가열된 상태에서는 재료의 자성이 더 약해진다는 의미입니다. 온도 상승에 따른 열적 교란으로 자구의 정렬이 일부 흐트러지기 때문입니다.

자석은 냉각되면 자력을 회복할 수 있습니다. 소재 온도가 퀴리 온도 또는 퀴리점이라고도 하는 특정 임계값 미만으로 유지되는 경우입니다.

자석은 중간 수준의 열에 노출되면 일시적으로 약해질 수 있습니다. 이러한 현상을 가역적 손상이라고 합니다.

불가역적 손실(및 영구 손실)

자석이 최대 사용 온도를 초과하고 퀴리 온도보다 낮은 온도에 노출되면 자력에 불가역적 손실이 발생합니다.

이는 다음을 의미합니다.

● 냉각된 후에도 성능이 저하됩니다.

네오디뮴 자석에 지나치게 높은 온도는 몇 도입니까?

시판되는 영구자석 중 자력이 가장 강한 자석은 네오디뮴 자석(NDFEB)입니다. 따라서 온도에도 민감합니다. N35 또는 N52와 같은 표준 등급은 일반적으로 80 °C(176 °F)에서 자력을 잃기 시작합니다.

온도가 한계를 초과하면 자석의 성능이 급격히 저하되며, 냉각된 후에도 완전히 회복되지 않을 수 있습니다.

자석은 퀴리 온도에 도달하면 영구적인 변화를 겪습니다. 퀴리 온도는 소재 조성에 따라 모든 자기적 특성을 잃는 지점입니다. 네오디뮴 자석의 경우 일반적으로 310 °C~400 °C(590 °F~752 °F)입니다.

최대 사용 온도는 형상(퍼미언스 계수)에 따라 달라집니다.

자석의 형상과 설계는 견딜 수 있는 열의 정도에 영향을 미칩니다. 이 요소를 나타내는 용어가 “퍼미언스 계수”(Pc)입니다.

퍼미언스 계수가 높은 자석일수록 자기장이 더 안정적입니다. 예를 들어, 두꺼운 원통형 자석은 가열될 때 자력을 더 잘 유지할 수 있습니다.

반면, PCO 값이 낮고 얇거나 작은 자석은 고온에서 감자될 가능성이 더 높습니다.

고온용 등급(예: N42SH, N35AH)

열 민감성 문제를 해결하기 위해 특수 고온용 네오디뮴 자석 등급이 개발되었습니다.

이러한 등급은 개질 합금과 모르타르를 사용하므로 가혹한 조건에서도 강한 자기 특성을 유지할 수 있습니다.

• 작동 온도는 N42SH의 경우 150 °C(902 °F)입니다.
• 최대 온도 200 °C (392 °F) 까지 견딜 수 있는 등급은 N35EH입니다.
• 230 °C 까지의 온도를 견딜 수 있는 등급은 35AH(446 °F)입니다.

이러한 고온용 등급은 일반 등급보다 자력이 낮을 수 있지만, 가열 시에도 자성을 유지할 수 있어 전기 모터 및 자동차 센서와 같은 까다로운 용도에 적합합니다.

자력을 원래 세기로 복원할 수는 있지만 경제적이지 않습니다. 비가역 손실은 한 번만 발생합니다.

결론

자석은 온도의 영향을 크게 받습니다. 철 또는 네오디뮴과 같은 영구자석은 퀴리점 이상에서 자력을 완전히 잃습니다. 온도가 낮아지면 자기장 세기는 증가합니다.

전자석은 전기적 성능이 저하되므로 과열될수록 결국 자력이 약해집니다. 따라서 초전도 전자석은 냉각을 통해 매우 높은

자기장을 구현할 수 있습니다.

온도는 세심하게 관리해야 합니다. 영구자석을 극심한 열로부터 보호하면 자성을 유지할 수 있습니다. 전자석을 냉각하면 강한 자기장을 구현할 수 있습니다.

열과 경계를 활용하면 과학, 공학 및 의료 분야에서 새로운 자기 응용 분야를 개척할 수 있습니다.

자주 묻는 질문