전자석

정의상 가정	자기장(magnetic field)_비오-샤바르법칙(Biot Savart Law)_자석_패러데이 유도법칙 magnetic material_강반자성AFM(antiferromagnetic), 강자성FM(ferromagnetic), paramagnetic, diamagnetic, 자화에너지
내용상 가정
공식
단위
응용

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스핀트로닉스, 특히 자성학을 연구할 때 반드시 알아야 할게 전자석입니다.

자기장을 제어하여 인가해주는것은 크게 두가지로 이루어져있는데,

가장 간단한 방법으로, 자석을 두개 가까이 두고 거리를 조절하여 자기장을 제어하는 방법이 있습니다.
또한 본 포스팅에서 다룰 솔레노이드 처럼 코일을 엄청감어 전류를 흘려주어 유도 자기장으로 자기장을 제어하는 방법이 있습니다.

사실 자석을 이용하여 자기장을 제어하는것은 기계적인 메커니즘이기 때문에 값이 정확히 제어도 안되고 빠르게 움직이기도 힘듭니다. 또한 자석에서 나오는 자기장이 위치에 따라 uniform하지도 않아 전기적인 자동화도 어렵습니다.

코일을 이용하면 전기적으로 굉장히 간단하고 정확하게 제어할 수 있으며 uniform하지만, 고전압, 고전류를 흘리므로 열이 굉장히 많이 발생합니다.

코일 내부의 자기장은 자기장(magnetic field)_비오-샤바르법칙(Biot Savart Law)_자석_패러데이 유도법칙의 비오 샤바르 법칙을 이용한다면(앙페르 법칙이면 훨신 쉽지만) 간단하게 구할 수 있습니다.

다시말해 먼저 면전류밀도 K를 구한다면

$$Kdx=\frac{NI}{l}dx$$

이고 이를 자기장에 적용시킨다고 할떄

$$B=\frac{\mu NIR^2}{2l}\int_{-l/2}^{l/2}\frac{dx}{(R^2+x^2)^{3/2}}=\frac{\mu NI}{\sqrt{4R^2+l^2}}$$

으로 l>>R이라 할때

$$B=\frac{\mu NI}{l}$$

입니다.

여기서 높은 자기장을 갖는게 어려운데, 그냥 큰 자기장을 얻기위해 N을 높이기 위해 많이 감으면 된다고 생각할 수 있으나, 그만큼 열이 많이 발생하여, 저항이 높아져 어느순간부터 많이 감나 적게 감나 똑같은 양의 자기장이 나오게 됩니다.

또한 전자석 내부에 채우는 물질도 중요한데 전자석이 작용하는 gap에서 

Toroid를 예를 들어본다면 코일 내부에 그냥 공기 뿐이라면 B는 연속적이므로

$$H=K=\frac{NI}{2\pi R} \leftarrow~B=\mu_0 K$$
이며

코일 없이 그냥 Fe 자석이라면 일딴 B는 일정하므로 Gap에서는

$$H=\frac{B}{\mu_0}=M$$

이고 내부에서는
$$H=K'-K\approx 0 \leftarrow B=\mu_0K'=\mu_0 M$$

입니다.

반면 코일 내부에 자석을 넣는다면

$$H=K+K'$$

입니다.