자석은 무엇이고 어떻게 만들어 지는 걸까?

 

자석은 자기장을 생성하는 물체 또는 물질로 자기장을 둘러싸고 주변의 다른 물체에 영향을 미치는 힘의 장이다.

 

 

 

자석이란?

 

자석은 철, 니켈, 코발트와 같은 특정 유형의 금속을 끌어당기는 능력을 가지고 있다. 일반적으로 N극과 S극이라고 하는 두 개의 뚜렷한 극을 가지고 있다.

 

자석의 행동은 특정 물질 내에서 전자의 움직임으로 설명될 수 있다. 전자가 스핀이 정렬되는 방식으로 배열된 물질에서 물질은 자화 된다. 이 정렬은 N극과 S극으로 자기장을 생성한다.

 

가장 일반적인 유형의 자석은 영구 자석과 전자석이다.

철, 강철 또는 특정 합금으로 만들어진 영구 자석은 일단 자화되면 자성을 유지한다.

반면에 전자석은 자기장을 생성하는 와이어 코일을 통해 전류를 통과시켜 만들어진다. 전자석의 세기는 도선에 흐르는 전류의 양을 조절함으로써 조절할 수 있다.

 

자석은 전기 모터, 발전기, 변압기, 스피커, 자기 저장 장치(하드 드라이브 및 자기 테이프 등), 의료 장비(MRI 기계 등), 자기 분리기를 비롯한 다양한 응용 분야에 널리 사용된다. 또한 냉장고 자석 및 나침반과 같은 일상 용품에서 중요한 역할을 한다.

 

 

자석은 어떻게 만들어지는 걸까?

 

 

영구 자석

• 페라이트 자석 : 세라믹 자석이라고도 하는 페라이트 자석은 산화철과 다른 금속 산화물의 혼합물인 페라이트라는 화합물로 만들어진다.

첫 번째 단계는 분말 형태의 원료를 선택하고 혼합한다. 이러한 물질은 일반적으로 산화철(Fe2O3)과 탄산스트론튬(SrCO3) 또는 탄산바륨(BaCO3)과 같은 금속 산화물이다.

혼합된 분말은 일반적으로 플라스틱 또는 고무와 같은 물질인 결합제와 혼합된다. 이 결합체는 성형 공정 중에 분말을 함께 고정하는 데 도움이 된다.

그런 다음 혼합물을 금형을 사용하여 원하는 모양으로 압축한다.

압축 후 형성된 자석은 소결 공정을 거친다. 자석은 일반적으로 1,000 ~ 1,200℃의 고온으로 용광로에서 가열된다. 이 열처리는 자석을 굳히고 자석의 자기 특성을 향상시키는 데 도움이 된다.

일단 소결되면 자석은 원하는 치수와 표면 마감을 갖기 위해 추가 기계 가공을 거칠 수 있다.

 

• 알니코 자석 : 알니코 자석은 주로 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu)와 같은 소량의 다른 원소로 만들어진 합금이다.

알니코 자석의 제조 공정에는 용광로에서 구성 금속을 녹이는 과정이 포함된다. 그런 다음 용해된 금속을 주형에 붓거나 원하는 모양으로 주조한다.

주조 후 자석은 냉각되고 응고된다. 자기 특성을 향상시키기 위해 열처리를 할 수 있다.

열처리 후 자석을 가공하여 최종 모양과 치수를 얻는다. 여기에는 연삭, 절단, 드릴링이 포함될 수 있다.

자석은 자기 특성을 더욱 최적화하기 위해 노화와 같은 추가 처리를 거칠 수 있다.

 

• 희토류 자석(네오디뮴 및 사마륨 코발트) : 희토류 자석, 특히 네오디뮴 자석과 사마륨 코발트 자석은 매우 강한 자석입니다.

네오디뮴 자석에 필요한 네오디뮴, 철, 붕소 등의 원소를 가공 및 정제하여 고순도 금속 합금을 얻는다.

정제된 금속은 통제된 조건에서 용광로에서 함께 용융되어 합금을 형성한다.

합금을 빠르게 냉각하여 빠른 응고를 유도하여 미세한 미세 구조를 만든다.

응고된 합금은 그라인딩 또는 제트 밀링 장비를 사용하여 분말 형태로 분쇄된다.

분말을 바인더와 혼합하고 금형을 사용하여 원하는 모양으로 압착한다.

압축된 자석은 일반적으로 1,000℃ 이상의 고온으로 용광로에서 가열된다. 이 과정을 통해 입자가 서로 융합되어 단단한 자석을 형성한다.

소결 후 자석은 최종 모양과 치수를 얻기 위해 추가 가공 공정을 거칠 수 있다. 부식을 방지하기 위해 코팅되거나 도금이 될 수도 있다.

 

 

전자석

전자석은 와이어 코일을 통해 전류를 통과시켜 만들어진다. 와이어는 일반적으로 구리 또는 다른 전도성 재료로 만들어진다.

전자석의 원하는 강도와 용도에 따라 전도성이 좋고 전기 저항이 충분한 적합한 전선을 선택한다.

와이어는 종종 원통형 모양의 주위에 코일로 감겨 있다. 코일의 회전 수와 크기는 원하는 자기장 강도에 따라 다르다.

와이어를 통해 전류가 흐를 때 생성되는 자기장을 강화하기 위해 철 또는 강철 코어를 코일 중앙에 삽입할 수 있다.

코일에 전류를 흘리면 전자기의 오른손법칙에 따라 코일 주변에 자기장이 발생한다.