CH06_PROPERTIES

LESSON03 / 06

VERIFIED2026.05.27

When electrons align.

자기적 물성, 강자성·반강자성·상자성·반자성

Magnetic properties: ferromagnetism, antiferromagnetism, paramagnetism, diamagnetism

놀랍게도 세상의 모든 물질은 자성을 가지고 있습니다. 다만 그 자성이 약하냐, 강하냐, 그리고 외부 자기장에 따라가느냐 밀어내느냐만 다를 뿐이지요. 이 차이를 만드는 단 하나의 요인이 바로 전자 스핀의 정렬 방식 입니다. 전자 한 개 한 개가 자기 모멘트를 가진 작은 자석이라고 생각하시면 됩니다.

Remarkably, every material in the world has some form of magnetism. The differences lie only in how strong it is, and whether it follows an applied magnetic field or pushes back against it. The single factor that creates all these differences is how electron spins align. Picture every individual electron as a tiny magnet carrying its own magnetic moment.

자성은 네 가지 유형으로 갈라집니다. 철, 코발트, 니켈처럼 이웃한 스핀들이 모두 같은 방향으로 정렬되어 강한 자성을 띠는 것이 강자성 (ferromagnetic) 입니다. 우리가 흔히 "자석" 이라고 부르는 것들이지요. 산화 망간처럼 이웃 스핀이 서로 반대 방향으로 교대하면 반강자성 (antiferromagnetic) 이 되고, 외부장에 약하게 끌려가는 것이 상자성 (paramagnetic), 외부장을 약하게 밀어내는 것이 반자성 (diamagnetic) 입니다.

Magnetism falls into four types. Iron, cobalt, and nickel are ferromagnetic: neighbouring spins all point the same way, producing the strong magnets we use every day. Manganese oxide and similar materials are antiferromagnetic: adjacent spins alternate in opposite directions. Materials whose spins are random but weakly follow an applied field are paramagnetic; those that weakly repel an applied field are diamagnetic.

하지만 가장 강한 강자성도 영원하지는 않아요. 온도를 올리면 격자 진동이 스핀을 흔들기 시작하고, 특정 온도 T_c (Curie 온도) 를 넘으면 정렬이 무너져 상자성으로 변합니다. 철의 T_c 는 770 도, 코발트는 1130 도, 니켈은 360 도예요. 이 임계점 근처에서 일어나는 상전이가 바로 우리가 사용하는 하드디스크, MRI, 변압기, 풍력 발전기의 자석 설계 한가운데에 있습니다.

Even the strongest ferromagnetism does not last forever. As temperature rises, lattice vibrations shake the spins, and above a critical temperature T_c (the Curie temperature), alignment collapses and the material becomes paramagnetic. Iron's T_c is 770 °C, cobalt's is 1130 °C, and nickel's is 360 °C. The phase transition near this threshold lies at the heart of hard-disk drives, MRI magnets, transformer cores, and wind-turbine motors.

Lesson 04 · 광학적 물성Optical properties → ← Lesson 02 전기 전도도Electrical conductivity Chapter Overview

강자성 · T=300K · H=0 · M=0.92 Ms WEBGL · SPIN LATTICE

온도 T (K)Temperature T (K) 300 K

외부 자기장 H (A/m)Applied field H (A/m) 0

이론 · 깊이 보기

Theory · in depth

스핀의 네 가지 합의.

Spin's four arrangements.

철 클립은 자석에 척 달라붙는데, 똑같은 금속인 구리 동전은 왜 꿈쩍도 하지 않을까요?

모든 물질의 자성은 결국 전자 한 개 한 개가 가진 작은 자석, 즉 스핀에서 출발합니다. 전자가 스스로 도는 것처럼 행동하며 아주 작은 자기 모멘트를 만드는데, 문제는 이 작은 자석들이 서로 어떻게 정렬하느냐입니다. 어떤 물질에서는 이웃 스핀들이 손을 잡고 모두 같은 방향을 바라보고(강자성), 어떤 물질에서는 한 칸 걸러 반대 방향으로 줄을 서며(반강자성), 또 어떤 물질에서는 제멋대로 흩어져 있다가 외부 자기장이 오면 살짝 따라가거나(상자성) 오히려 밀어냅니다(반자성).

철, 코발트, 니켈이 자석에 달라붙는 것은 교환 상호작용이라는 양자역학적 힘이 이웃 스핀들을 같은 방향으로 묶어 두기 때문입니다. 그런데 이 정렬은 영원하지 않습니다. 온도를 올리면 격자 진동이 스핀을 흔들고, 퀴리 온도 T_c 를 넘는 순간 정렬이 와르르 무너져 평범한 상자성으로 변합니다. 철은 약 770도(1043 K), 니켈은 약 358도가 그 경계입니다. 위 격자에서 온도와 외부 자기장을 바꾸어 가며 스핀들이 정렬했다가 흐트러지는 모습을 직접 확인해 보세요.

An iron clip snaps onto a magnet, yet a copper coin of the same metal family does not budge. Why?

All magnetism in matter ultimately originates from a single source: individual electrons behaving like tiny magnets through a property called spin. Each electron acts as if it were spinning, generating a minute magnetic moment. The crucial question is how these tiny magnets align with each other. In some materials, neighbouring spins lock together pointing the same way (ferromagnetism); in others, they alternate in opposite directions every other site (antiferromagnetism); in still others they are randomly oriented, weakly following an applied field (paramagnetism) or weakly opposing it (diamagnetism).

Iron, cobalt, and nickel cling to a magnet because a quantum mechanical force called the exchange interaction locks neighbouring spins into the same direction. But this alignment does not last forever. Rising temperature causes lattice vibrations to jostle the spins, and at the Curie temperature T_c the alignment collapses entirely into ordinary paramagnetism. For iron this threshold is about 770 °C (1043 K); for nickel it is about 358 °C. Use the lattice simulation above to change temperature and external field and watch the spins align and disorder.

Q1 강자성은 왜 그렇게 강하고, 반강자성은 왜 자석에 안 붙을까요?

둘 다 이웃 스핀끼리 정렬한다는 점은 같습니다. 차이는 정렬의 방향입니다. 강자성(철·코발트·니켈)은 교환 상호작용이 이웃 스핀을 모두 같은 방향으로 묶어, 무수히 많은 작은 자석이 한 방향을 가리키며 거대한 자화를 만듭니다. 그래서 외부 자석에 강하게 끌립니다. 반강자성 (산화 망간 등)은 교환 상호작용의 부호가 반대라, 이웃 스핀이 한 칸 걸러 정반대로 줄을 섭니다. 위로 향한 스핀과 아래로 향한 스핀이 정확히 상쇄되어 전체 자화가 0 이 되므로, 안에서는 스핀이 질서정연하게 정렬해 있어도 밖에서 보면 자성이 거의 없는 것처럼 보입니다.

Q1 Why is ferromagnetism so strong, while antiferromagnetic materials are not attracted to a magnet?

Both involve ordered spin alignment; the difference is the direction of that ordering. In a ferromagnet (iron, cobalt, nickel), the exchange interaction locks all neighbouring spins parallel, so countless tiny magnets point the same way and combine into a large net magnetisation that strongly attracts an external magnet. In an antiferromagnet (manganese oxide, etc.) the sign of the exchange interaction is reversed, causing neighbouring spins to alternate in antiparallel pairs. Up-spins and down-spins cancel each other exactly, leaving a net magnetisation of zero. Although the spins inside are highly ordered, from the outside the material looks magnetically inert.

Q2 자석을 너무 뜨겁게 달구면 왜 자성을 잃을까요?

스핀을 한 방향으로 묶어 두려는 교환 상호작용과, 스핀을 마구 흔들어 흐트러뜨리려는 열에너지가 서로 줄다리기를 합니다. 낮은 온도에서는 교환 상호작용이 이겨 정렬이 유지되지만, 온도가 오를수록 열의 힘이 세집니다. 퀴리 온도 T_c 를 넘는 순간 열이 완전히 이겨 정렬이 무너지고, 강자성이던 물질이 평범한 상자성으로 바뀝니다. 이것은 단순히 약해지는 것이 아니라 질서에서 무질서로 넘어가는 상전이입니다. 변압기나 모터의 자성 코어가 과열되면 자성이 약해져 효율이 떨어지는 것도 같은 이유입니다(예시: 일반적인 자성 부품 설계).

Q2 Why does a magnet lose its magnetism when heated too strongly?

The exchange interaction striving to keep spins aligned and the thermal energy striving to randomise them are locked in a tug-of-war. At low temperatures the exchange interaction wins and alignment is maintained. As temperature rises, thermal energy grows stronger. At the Curie temperature T_c, thermal energy wins completely, alignment collapses, and the ferromagnet converts to ordinary paramagnetism. This is not merely a weakening — it is a phase transition from order to disorder. When the magnetic cores of transformers or motors overheat, their magnetisation weakens and efficiency drops for the same reason (as observed in typical magnetic-component design).

Q3 구리나 물처럼 "자성이 없는" 물질도 사실은 자성을 가지고 있다고요?

그렇습니다. 사실 모든 물질은 외부 자기장이 걸리면 전자 궤도가 미세하게 반응해 자기장을 아주 약하게 밀어내는 반자성을 가집니다. 다만 그 효과가 너무 작아서(자화율 χ ≈ −10⁻⁵), 강자성이나 상자성이 있는 물질에서는 완전히 묻혀 버립니다. 구리, 금, 물, 그리고 우리 몸도 반자성체라서, 충분히 강한 자기장 속에서는 살짝 밀려납니다. 강력한 자석 위에서 개구리나 물방울을 공중에 띄우는 유명한 실험이 바로 이 미약한 반자성을 이용한 것입니다.

Q3 Do "non-magnetic" materials like copper and water actually have magnetism too?

Yes. Every material possesses diamagnetism — a weak tendency to repel an applied magnetic field because electron orbits respond subtly to it. The effect is tiny (magnetic susceptibility χ ≈ −10⁻⁵) and is completely buried in materials that also have ferromagnetism or paramagnetism. Copper, gold, water, and even the human body are diamagnetic: in a sufficiently strong field they experience a tiny repulsion. The famous experiment of levitating a frog or a water droplet above a powerful magnet exploits precisely this faint diamagnetism.

① 네 가지 자성의 분류
강자성(ferromagnetic)은 이웃 스핀이 모두 같은 방향으로 정렬해 강한 자화를 냅니다(철·코발트·니켈, 자화율 χ ≈ 10³~10⁵). 반강자성 (antiferromagnetic)은 이웃 스핀이 반대로 교대해 순 자화가 0 이 됩니다(산화 망간 등). 상자성(paramagnetic)은 스핀이 무작위지만 외부장에 약하게 끌리고(χ ≈ 10⁻³, 알루미늄·백금·산소 분자), 반자성(diamagnetic)은 외부장을 미세하게 밀어냅니다(χ ≈ −10⁻⁵, 구리·금·물).

② 퀴리 법칙과 상전이
상자성체의 자화는 외부장 H 에 비례하고 온도에는 반비례합니다. M = χH = (C/T)·H 로, 온도가 오를수록 열이 정렬을 방해해 자화가 작아집니다 (퀴리 법칙). 강자성체는 T_c 아래에서는 외부장이 없어도 자화를 유지하지만, T_c 를 넘으면 갑자기 상자성으로 바뀌어 퀴리-바이스 법칙 χ = C/(T − T_c) 를 따릅니다.

③ 자기 이력(히스테리시스)
강자성체에는 스핀이 같은 방향으로 뭉친 작은 영역인 자구(domain)들이 있습니다. 외부장을 걸면 자구들이 정렬했다가, 장을 없애도 일부가 그대로 남아 자화가 남습니다. 이 되돌아오지 않는 곡선이 자기 이력 곡선이며, 한 번 자화하면 잘 풀리지 않는 "단단한" 자석과, 쉽게 정렬하고 쉽게 풀리는 "부드러운" 자석을 가르는 핵심입니다.

핵심 자성의 네 얼굴은 모두 전자 스핀의 정렬 방식 하나에서 갈라집니다. 같은 방향이면 강자성, 반대로 교대하면 반강자성, 무작위면 상자성, 미세하게 밀어내면 반자성입니다. 그리고 강자성도 퀴리 온도를 넘으면 자성을 잃는다는 점이 모든 자석 설계의 출발점입니다.

① The four types of magnetism
Ferromagnetic materials (iron, cobalt, nickel) have all neighbouring spins aligned in the same direction, producing strong magnetisation (susceptibility χ ≈ 10³–10⁵). Antiferromagnetic materials (manganese oxide, etc.) have adjacent spins alternating in opposite directions, so the net magnetisation is zero. Paramagnetic materials (aluminium, platinum, oxygen) have random spins that weakly follow an applied field (χ ≈ 10⁻³), while diamagnetic materials (copper, gold, water) faintly repel an applied field (χ ≈ −10⁻⁵).

② Curie's law and the phase transition
Magnetisation in a paramagnet is proportional to the applied field H and inversely proportional to temperature: M = χH = (C/T)·H. As temperature rises, thermal energy opposes alignment and magnetisation decreases (Curie's law). A ferromagnet maintains its magnetisation below T_c even without an external field, but above T_c it abruptly switches to paramagnetism and follows the Curie-Weiss law χ = C/(T − T_c).

③ Magnetic hysteresis
A ferromagnet contains magnetic domains — small regions where spins are uniformly aligned. Applying an external field aligns the domains; removing the field leaves some alignment behind as remanent magnetisation. This irreversible behaviour is captured in the hysteresis loop, and it distinguishes "hard" magnets (alignment persists strongly) from "soft" magnets (alignment and de-alignment occur easily).

Key idea All four faces of magnetism arise from a single question: how do electron spins align? Parallel → ferromagnetism; alternating antiparallel → antiferromagnetism; random → paramagnetism; faint opposition → diamagnetism. And even the strongest ferromagnet loses its magnetism above the Curie temperature — the starting point for every magnet design.

쉽게 말하면 In plain language

스핀을 응원석에 앉은 관중들의 작은 깃발이라고 생각해 보세요. 강자성은 모두가 같은 방향으로 깃발을 흔드는 카드 섹션이라 멀리서도 또렷한 그림(자성)이 보입니다. 반강자성은 옆 사람과 정확히 반대로 흔들어 멀리서는 그림이 사라져 보입니다. 상자성은 다들 제멋대로라 평소엔 그림이 없지만 안내방송(외부 자기장)이 나오면 약하게 따라 합니다. 그리고 응원이 너무 뜨거워지면(고온) 흥분해서 줄이 흐트러지는데, 그 한계가 바로 퀴리 온도입니다.

Imagine each spin as a small flag held by a spectator in a stadium. Ferromagnetism is a perfectly synchronised card display: everyone waves their flag the same way, so a clear pattern (magnetism) is visible from far away. Antiferromagnetism is every spectator waving in exact opposition to their neighbour, so the pattern cancels out and disappears at a distance. Paramagnetism is a crowd doing whatever they like — no pattern normally — but when an announcement plays (an applied field), they weakly follow along. And when the crowd gets too rowdy and excited (high temperature), all coordination breaks down: that breaking point is the Curie temperature.

학술 · 수식으로 다지기

Academic · derivations

교환 상호작용과 자기 정렬
이웃 스핀 사이의 에너지는 하이젠베르크 모형 $E = -2J\,\vec{S}_i\cdot\vec{S}_j$ 로 쓰며, 교환 적분 $J$ 의 부호가 자성을 가릅니다. $J>0$ 이면 같은 방향이 에너지가 낮아 강자성, $J<0$ 이면 반대 방향이 유리해 반강자성이 됩니다. 이 정렬을 깨려면 약 $k_B T_c$ 정도의 열에너지가 필요하므로, $T_c$ 가 높다는 것은 교환 상호작용이 그만큼 강하다는 뜻입니다.

퀴리 법칙과 퀴리-바이스 법칙
상자성은 $\chi = \dfrac{C}{T}$ 로 온도에 반비례합니다(퀴리 상수 $C = \dfrac{n\mu_0\mu_\text{eff}^2}{3k_B}$). 강자성체가 $T_c$ 위에서 보이는 상자성은 평균장 보정을 받아 $\chi = \dfrac{C}{T-T_c}$ 가 되며(퀴리-바이스 법칙), $T \to T_c^+$ 에서 자화율이 발산하는 것이 상전이의 신호입니다.

GMR과 스핀트로닉스
강자성층과 비자성층을 번갈아 쌓으면 두 자성층의 자화 방향이 평행이냐 반평행이냐에 따라 전기 저항이 크게 달라지는 거대 자기저항(GMR)이 나타납니다. 이 발견(2007년 노벨물리학상)은 하드디스크 읽기 헤드의 감도를 비약적으로 높였고, 정보를 전하 대신 스핀으로 다루는 스핀트로닉스의 출발점이 되었습니다.

출처 Callister, Materials Science and Engineering 10e Ch.20 · Kittel, Introduction to Solid State Physics 8e Ch.11-12 · Curie (1895) · Néel (1936) · Fert & Grünberg, Nobel Prize 2007 (GMR).

Exchange interaction and spin ordering
The energy between neighbouring spins is written in the Heisenberg model as $E = -2J\,\vec{S}_i\cdot\vec{S}_j$, and the sign of the exchange integral $J$ determines the magnetic behaviour. When $J>0$, parallel alignment has lower energy (ferromagnetism); when $J<0$, antiparallel alignment is favoured (antiferromagnetism). Breaking this alignment requires thermal energy of order $k_B T_c$, so a higher $T_c$ signals a stronger exchange interaction.

Curie's law and the Curie-Weiss law
Paramagnetic susceptibility is inversely proportional to temperature: $\chi = \dfrac{C}{T}$, where the Curie constant is $C = \dfrac{n\mu_0\mu_\text{eff}^2}{3k_B}$. Above $T_c$ a ferromagnet becomes paramagnetic with a mean-field correction: $\chi = \dfrac{C}{T-T_c}$ (Curie-Weiss law). The divergence of susceptibility as $T \to T_c^+$ is the signature of the ferromagnetic phase transition.

GMR and spintronics
Alternating ferromagnetic and non-magnetic layers produces giant magnetoresistance (GMR): electrical resistance depends strongly on whether the two magnetic layers are magnetised parallel or antiparallel. This discovery (2007 Nobel Prize in Physics) dramatically increased the sensitivity of hard-disk read heads and established spintronics — processing information via spin rather than charge.

Sources Callister, Materials Science and Engineering 10e Ch.20 · Kittel, Introduction to Solid State Physics 8e Ch.11-12 · Curie (1895) · Néel (1936) · Fert & Grünberg, Nobel Prize 2007 (GMR).

실제 세계의 응용

Real-world applications

저장 · 강자성Storage · Ferromagnetic

하드디스크와 자기 메모리

Hard-disk drives and magnetic memory

하드디스크는 강자성 입자의 자화 방향을 0 과 1 로 새겨 데이터를 저장합니다. 자화가 외부장 없이도 유지되는 강자성의 성질이 정보를 오래 붙잡아 두는 비결입니다.

A hard-disk drive encodes data by setting the magnetisation direction of ferromagnetic grains to represent 0 or 1. The ferromagnet's ability to retain its magnetisation without any external field is what keeps the information stored over time.

전력 · 연자성Power · Soft magnetic

변압기와 모터 코어

Transformer and motor cores

변압기와 모터의 코어에는 쉽게 자화되고 쉽게 풀리는 연자성 재료(규소강 등)를 씁니다. 자기 이력 손실이 작아야 전기를 열로 낭비하지 않기 때문입니다.

Transformer and motor cores use soft magnetic materials (such as silicon steel) that magnetise and demagnetise easily. Low hysteresis loss is essential to avoid wasting electrical energy as heat.

발전 · 영구자석Generation · Permanent magnet

풍력·전기차 모터 자석

Wind turbine and EV motor magnets

강력한 영구자석(네오디뮴 계열 등)은 풍력 발전기와 전기차 모터의 회전력을 만듭니다. 한 번 자화하면 잘 풀리지 않는 단단한 강자성이 핵심입니다.

High-performance permanent magnets (neodymium-type, etc.) produce the torque in wind-turbine generators and electric-vehicle motors. The key property is hard ferromagnetism: once magnetised, the alignment resists demagnetisation.

읽기 · 반강자성+GMRRead head · Antiferromagnetic + GMR

자기저항 센서

Magnetoresistive sensors

반강자성층으로 한쪽 자화를 고정한 다음, 거대 자기저항(GMR)으로 미세한 자기장 변화를 큰 전기 신호로 바꿉니다. 하드디스크 읽기 헤드와 위치 센서에 쓰입니다.

An antiferromagnetic layer pins one magnetisation reference, and giant magnetoresistance (GMR) converts tiny field changes into large electrical signals. This is the operating principle of hard-disk read heads and precision position sensors.

의료 · 상자성 조영제Medical · Paramagnetic contrast

MRI 조영제

MRI contrast agents

상자성을 띤 가돌리늄 화합물을 주사하면 주변 물 분자의 자기 신호가 달라져 MRI 영상의 대비가 또렷해집니다. 상자성의 약한 자기 반응을 영리하게 이용한 예입니다.

Injecting paramagnetic gadolinium compounds alters the magnetic signal of nearby water molecules, sharpening the contrast in MRI images. This is a clever application of the weak magnetic response of paramagnetic materials.

부상 · 반자성Levitation · Diamagnetic

자기 부상과 초전도

Magnetic levitation and superconductors

초전도체는 외부 자기장을 완전히 밀어내는 완벽한 반자성을 보여, 자석 위에 둥실 떠오릅니다. 자기부상 열차와 무마찰 베어링 연구의 바탕이 됩니다.

A superconductor exhibits perfect diamagnetism, expelling all external magnetic flux and floating above a magnet. This behaviour underpins maglev train research and frictionless bearing concepts.

정리

Summary

자성의 네 얼굴, 강자성·반강자성·상자성·반자성은 모두 전자 스핀이 서로 어떻게 정렬하느냐에서 갈라집니다. 같은 방향으로 묶이면 강한 자석이 되고, 반대로 교대하면 밖에서는 자성이 사라진 것처럼 보이며, 무작위면 외부장에 약하게 따라가거나 밀어냅니다. 그리고 가장 강한 강자성도 퀴리 온도를 넘으면 정렬이 무너져 자성을 잃습니다. 이 단순한 정렬의 원리가 하드디스크, 변압기, 모터, MRI 까지 우리 시대의 수많은 기술을 떠받칩니다. 다음 레슨에서는 전자가 빛과 만나 굴절·흡수·색을 만드는 광학적 물성으로 넘어갑니다.

All four faces of magnetism — ferromagnetism, antiferromagnetism, paramagnetism, and diamagnetism — branch from a single question: how do electron spins align with each other? Parallel alignment produces a strong magnet; alternating antiparallel alignment makes the magnetism cancel and disappear from the outside; random alignment yields a weak follower or repeller of applied fields. And even the strongest ferromagnet loses its magnetism when the Curie temperature is exceeded and alignment collapses. This simple principle of spin ordering underpins hard-disk drives, transformers, motors, and MRI scanners alike. In the next lesson we move to optical properties: how electrons meet light to create refraction, absorption, and colour.

CHECK 스스로 확인하기

1. 반강자성체는 안에서 스핀이 정렬해 있는데도 왜 자석에 잘 붙지 않을까요?
→ 이웃 스핀이 정반대로 교대해 위·아래 자화가 정확히 상쇄되므로, 전체 순 자화가 0 이 되기 때문입니다.

2. 철 자석을 770도 넘게 가열하면 어떻게 될까요?
→ 퀴리 온도(약 1043 K)를 넘어 스핀 정렬이 무너지고, 강자성을 잃고 평범한 상자성으로 바뀝니다.

3. 상자성체의 자화는 온도가 오르면 어떻게 변할까요?
→ 퀴리 법칙 M = (C/T)·H 에 따라 온도에 반비례하므로, 온도가 오를수록 같은 자기장에서의 자화가 작아집니다.

CHECK Self-check

1. An antiferromagnet has ordered spins internally. Why does it not stick to a magnet?
→ Neighbouring spins alternate in exactly opposite directions, so up-spin and down-spin magnetisations cancel perfectly, leaving a net magnetisation of zero.

2. What happens if an iron magnet is heated above 770 °C?
→ It crosses the Curie temperature (≈ 1043 K), spin alignment collapses, and the iron loses its ferromagnetism, becoming ordinary paramagnetism.

3. How does the magnetisation of a paramagnet change as temperature increases?
→ By Curie's law M = (C/T)·H, magnetisation is inversely proportional to temperature, so the same applied field produces less magnetisation at higher temperature.

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