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작품번호
2107
제54회 전국과학전람회
자기장하에서 자성유체의 물리적
특성 변화와 응용에 관한 연구
출품분야 교원부 출품부문 물 리
2008. 7.
구 분 성 명
출품교사 노 종 우
출품교사 이 은 화
- i -
목 차Ⅰ. 탐구동기 및 목적·································································································1
1. 탐구동기··············································································································1
2. 탐구목적··············································································································1
Ⅱ. 이론적 배경···········································································································2
1. 자성유체··············································································································2
2. 단일슬릿의 회절무늬························································································3
3. 다중슬릿의 간섭무늬························································································5
4. 원형개구의 회절무늬························································································7
5. 원형코일의 자기장····························································································9
6. Helmholtz coil의 자기장················································································9
Ⅲ. 탐구활동···············································································································12
1. 탐구 1 : 자성 유체의 물리화학적 특성····················································12
2. 탐구 2 : 자성 유체의 형태 변화에 미치는 물리화학적 영향··············13
3. 탐구 3 : 자기장하에서의 회절실험····························································15
4. 탐구 4 : 자성 유체를 응용한 스위치의 제작··········································17
5. 탐구 5 : 교류 자기장하에서 자성 유체의 비열의 변화························19
6. 탐구 6 : Helmholtz coil에 의한 자성유체의 회절무늬························21
Ⅳ. 결론 및 제언·······································································································24
참고문헌·······················································································································25
- 1 -
Ⅰ. 탐구동기 및 목적
1. 탐구동기
자성 유체(magnetic fluid)는 액체 속에 자성 분말을 콜로이드모양으로 안정·분
산시킨 다음 중력이나 자기장 등에 의한 자성분말의 침전이나 응집이 생기지 않도
록 계면활성제를 첨가한 유체이며, 자성 분말은 0.01∼0.02μm의 초미립자로서 초미
립자 특유의 브라운운동을 한다. 이러한 자성 유체의 물리화학적인 특성을 자기장
하에서 탐구해 보고 생활에 응용할 수 있는 가능성을 탐구하고자 한다.
2. 탐구목적
자기장하에서 자성 유체의 물리화학적인 특성의 연구를 위해 다음과 같은 목적
을 설정하고 연구를 수행하고자 한다.
첫째, 자기장에 따른 자성 유체의 무늬 형태를 알아보고
둘째, 온도에 따른 자성 유체의 형태를 관찰해보고
셋째, 용매에 따른 자성 유체의 자기장하에서의 무늬의 형태를 알아보고
넷째, 자성 유체 무늬 변화에 미치는 계면활성제의 영향을 알아보고
다섯째, 자성 유체 무늬 변화에 미치는 구리이온의 영향을 알아보고
여섯째, 자기장하에서 자성 유체를 이용한 회절실험을 해보고
일곱째, 자성 유체를 응용한 스위치의 제작에 관하여 알아보고
여덟째, 교류자기장하에서 자성 유체의 비열의 변화를 알아보고
아홉째, Helmholtz coil에 의한 자성 유체의 회절무늬를 관찰해 보는데 그 목적이
있다.
- 2 -
Ⅱ. 이론적 배경
1. 자성유체
콜로이드사이즈(직경10㎚∼20㎚)의 마그네타이트(Magnetite), 망간페라이트, 니켈
페라이트, 코발트페라이트, 바륨페라이트, 철, 니켈 등과 같은 강자성 미립자의 표면
에 올레인산이나 리놀산과 같은 불포화 지방산으로 피복하고, 이를 침전이나 응집
이 생기지 않도록 계면활성제를 사용하여 지방족 탄화수소, 방향족 탄화수소, 물 또
는 기름 등의 용매 중에 안정하게 분산시킨 콜로이드액체를 말한다.
이러한 자성유체는 특유의 브라운 운동을 하며, 분산성이 우수하여 중력, 원심력,
자장 등의 작용 하에서 침강이나 응집 등의 고액분리 현상이 일어나지 않으며, 유
체 자체가 균질하게 강한 자성을 가진 듯이 거동한다.
자성유체는 1965년 미국의 아폴로계획의 일환으로 개발하여 우주선 안 밖을 지나
는 가동 부분 관통부의 sill과 재로 주목받았다. 그 외 용도로는 자기적 신호를 기계
적으로 변환할 때의 제동이나 자기잉크 ·베어링 ·감지기(센서)로서의 응용 ·연구도
진행되고 있으며, 최근에는 화장품에도 사용되고 있다.
그림 1. 자성유체의 성질
또한 현재 자성유체가 가장 널리 이용되고 있는 분야로서 특히 진공 seal 및 컴퓨
터 하드디스크의 dustless seal에 폭넓게 상품화 되고 있다.
그리고 외부에서 가하는 자장 세기를 조절하여 자성유체의 겉보기 비중을 0∼25
사이의 임의의 값으로 변화시킬 수 있다. 자기구배를 주어서 비중을 변화시킨 자성
유체 중에 여러 종류의 비자성 물질을 포함한 혼합물을 투입하면 각 물질이 가진
비중에 상당하는 자성유체의 부분에 비자성 물질이 분리되어 모인다. 이러한 특성
을 이용하여 선광이나 폐자동차의 스크랩으로부터 각종 비철금속의 분리회수에 이
용할 수 있다. 유출 기름에 자성유체를 혼합하면 그 액 전체는 자성을 띄게 되므로
자석이 부착된 흡취기로 모아서 회수 할 수 있다.
자성윤활유의 기어 박스(gear box)로부터 윤활유의 누출을 자기 트랩(trap)을 부
착함으로써 간단히 방지할 수 있다. 이것은 식품, 제약 및 화학 산업에서 윤활유에
- 3 -
의한 오염을 방지하는데 대단히 유효하다.
2. 단일슬릿의 회절무늬
그림 2와 같이 각 파원의 폭을 ds라 하고 스크린 상의 한 점을 P라 하자.
폭ds의 기여에 의한 P점에서의 장은 다음과 같이 쓸 수 있다.
dE p= ( dE 0
r )e i (kr -ω t)
여기서 r은 ds에서 P까지의 광경로이다. s=0에서 P까지의 광경로를 r =r 0 로
놓으면 위식은
dE p= ( dE 0
r 0)e i [k( r 0+ Δ )-ω t]
이다. 여기서 진폭의 r 0는 (r 0+Δ)로 써야 하나 Δ≪r 0 이기 때문에 Δ는 무시했
다. 복사진폭은 슬릿을 이루는 단위 폭의 크기에 비례한다. 즉 단위거리 떨어진 곳
에서의 슬릿의 단위 폭당 진폭을 EL이라 하면 dE 0=ELds이다. 따라서 위식은
q q
qs
l
l
ds
f
by
D
그림 2. 단일슬릿에 의한 Fraunhofer회절
dE p= ( ELds
r 0)e i (kr 0+kssinθ-ω t)
이다. 이것을 슬릿의 폭 전체에 걸쳐서 고려하면
E p= ( E L
r 0
⌠⌡
b/2
-b/2e i kssinθds)e i (k r 0 - ω t )
으로 나타낼 수 있다. 궁극적으로 관심이 있는 것은 세기(irradiance)이므로 괄호
안의 양(진폭)만을 ER 이라 하고 적분하여 보자.
- 4 -
E R=EL
r 0( e i ks sinθ
i k sinθ )b/2
-b/2
=E L
r 0
1ik sinθ
[e ( i kb sinθ )/2-e - ( i kb sinθ )/2]
슬릿의 양끝에서 오는 빛의 위상차의 1/2를 나타내는 양을 β 즉 β≡12kb sinθ라
하면
ER=EL
r 0
b2 iβ
(e iβ-e - i β )
이 된다. sinβ=e iβ-e -i β
2i임을 이용하면
ER=EL
r 0
bβ
( sinβ) =ELb
r 0
sinββ
이다. 여기서sinββ를 sinc함수라고 한다.
P점에서의 복사조도는 진폭의 제곱에 비례한다. 즉,
I= ( ε 0c2 )E2R=
ε 0c
2 ( ELb
r 0)2sin 2β
β 2
이다. 상수로 된 항을 모두 모아 I 0라 하면
I= I 0( sin 2β
β 2 )=I 0 sinc2(β)
이다. sinc 함수는 다음과 같은 성질이 있다.
limβ→0
sinc(β)= limβ→0
( sinββ )=1
β /=0 일 때는 sinβ=0 일 때 sinc 함수값이 0이 된다. 즉,
β=12kb sinθ=mπ (m=±1, ±2, . . .)
일 때 sinc 함수값이 0이다. 위 식에 k=2πλ를 대입하고 sinc 함수가 0이 될 조
건을 다시 쓰면
b sinθ=mλ
이다. 그림 2에서 sinθ≅y/f이므로 스크린 위에서는 θ=0인 곳 즉 y= 0 일 때
복사조도가 최대로 되며 y≅mλfb
인 곳에서 강도는 0으로 떨어진다.
- 5 -
0
2.5
-15 -10 -5 0 5 10 15
각도(도)
세기(arb.unit)
그림 3. 단일슬릿의 회절(이론)
3. 다중슬릿의 간섭무늬
회절격자(회절발; diffraction grating)와 같은 다중슬릿은 광학기기와 물질의 분석
에서 중요한 역할을 한다. N개의 슬릿(개개의 슬릿은 j로 표시)에 의한 회절무늬
의 세기를 알아보자.
중심선으로부터 위아래로 각각 N/2개의 슬릿이 있다고 가정하면 스크린에서의
무늬의 진폭은 다음과 같이 쓸 수 있다.
ER=EL
r 0∑N/2
j= 1{⌠⌡
[ - ( 2j- 1)a +b]/2
[- (2j-1)a-b]/2e i sk sinθds+⌠⌡
[ ( 2j - 1)a + b]/2
[ (2j-1)a-b]/2e i sk sinθds}
중괄호 안의 적분을 하고 적분값을 In 이라 표시하면
In=1
iksinθ{e -i ksinθ [ (2j-1)a-b]/2-e -i ksinθ [ (2j-1)a+b]/2}
+1
ik sinθ{e i k sinθ [ ( 2j-1)a+ b]/2-e i k sinθ [ ( 2j-1)a- b]/2}
β≡12kb sinθ , α≡
12ka sinθ 를 사용하여 위 식을 다시 쓰면
In =b2iβ
[e - i (2j-1) α(e iβ-e - i β )+e i ( 2j-1) α(e iβ-e - i β )]
Euler 식을 써서 다시 표현하면 다음과 같이 된다.
In =b2iβ
( 2i sinβ){ 2 cos [ ( 2j-1)α]} = 2bsinββ
Re[e i( 2j- 1) α ]
- 6 -
따라서 무늬의 진폭은 summation을 취하면
S= 2bsinββ
Re∑N/2
j= 1e ( 2j - 1) α
=2bsinββ
Re[e i α+e i 3 α+e i 5 α+…+e i (N-1 ) α ]
[ ] 안은 초항 e i α , 공비 e 2 i α인 등비 급수이므로 그 합은
e i α[ (e 2 iα )N/2-1
e 2 iα-1 ] = e iNα-1
e i α-e - i α=
( cosNα-1)+isinNα2isinα
=- sinNα+i(cosNα-1)
-2 sinα
이며 그 실수부는 ( sinNα)/(2 sinα)이다. 따라서 summation값은
S=bsinββ
sinNαsinα
이고 스크린에서 무늬의 진폭은 다음과 같다.
ER=ELb
r 0
sinββ
sinNαsinα
따라서 무늬의 세기는 다음과 같이 된다.
I= I 0( sinββ )
2
( sinNαsinα )
2
( sinNαsinα )
2
은 슬릿 사이의 간섭을 나타내는 항인데 N= 1이면, 단일슬릿, N= 2
이면 2중슬릿에 해당한다. 이 항에서 α=mπ ( m=0, ±1, ±2, ±3 … ) 일 때 부정형
으로 된다. L'Hospital의 법칙을 써서 α가 mπ에 접근할 때의 극한값을 구하면
limα→ mπ
sinNαsinα
= limα→ mπ
NcosNαcosα
= ±N
이다. 따라서 간섭무늬의 주극대의 세기는 N2 에 비례한다. α가 증가할 때 Nα가
α보다 자주 π의 정수 배에 도달한다. 따라서 간섭항의 분모가 0이 아닐 때 분자가
0이 되는 경우가 있다. 그러므로 그림 4에서와 같이 인접한 주극대(principal
maxima)사이에는 (N-1)개의 극소점이 있으며 인접한 주극대 사이에는 (N-2)개
의 부극대(secondary maxima)가 있다.
α=pπN
즉 a sinθ=pλN이고 p= 0, ±1, ±2,. . .이라면 주극대는 p값 중
p= 0, ±N, ±2N,...일 때 생기며 극소는 p값 중 다른 모든 값일 때 생긴다.
Nα=pπ 에서 p=mN ( m = 0, ±1, ±2,. .. )이라 놓고 α 대신πa sinθλ
를 대입하
면
a sinθ=mλ
이다. 이 식은 주극대의 조건을 나타내는데 회절격자 방정식이라 하며 m은 회
절의 차수이다.
- 7 -
0
35
-15 -10 -5 0 5 10 15
각도(도)
세기(arb.unit)
그림 4. 사중슬릿의 간섭무늬(이론)
4. 원형개구의 회절무늬
개구가 원형이면 적분이 개구의 전 면적에 걸쳐 이루어져야 한다. 단위 면적당
진폭을 EA라 하면 dE 0≡EAdA 이다. 따라서 P에서의 진폭은
E p=EA
r 0
⌠⌡⌠⌡e
i sk sinθdA
이다. 그림 5와 같이 개구를 dA=xds의 띠로 나누면 x= 2 R 2-s2이고
E p=2EA
r 0
⌠⌡
R
-Re i sk sinθ R 2-s2 ds
이다. v=s/R, γ=kRsinθ로 놓으면 표준 적분식으로 변환할 수 있다. 즉,
E p=2EAR
2
r 0
⌠⌡
+ 1
-1e iγv 1-v2 dv
이다. 적분공식집에서 적분값을 찾아보면 다음과 같다.
E p=2EAR
2
r 0
πJ1(γ)
γ=πR 2EA
r 0
2J1(γ)
γ
여기서 J1(γ)은 1차 Bessel 함수이고 다음과 같이 정의되며 사인함수처럼 진동
한다.
J1(γ)=γ2-
(γ/2) 3
1 2⋅2+
(γ/2) 5
1 2⋅2 2⋅3-⋅⋅⋅
- 8 -
이 식에서 알 수 있듯이 γ가 0에 접근하면 다음과 같이 된다.
limγ→0
J1(γ)
γ=
12
x
s
R
그림 5. 원형개구에 걸친 적분을 위한 띠
그러므로 지름이 D인 원형개구의 회절 세기는
I=I 0( 2J1(γ)
γ )2
이다. 여기서 γ≡12kDsinθ이고 I 0는 γ→ 0즉 θ=0 일 때의 세기이다.
J1(x)/x의 값은 x가 0에 접근함에 따라 최대값으로 된다. 따라서 회절무늬의
중심에서의 세기가 가장 강하다. 중앙극대의 경계는 처음으로 함수 값이 0으로 떨
어지는 점은 γ=3.832이다. 따라서
γ= ( k2 )Dsinθ=3.832
일 때 회절세기가 0으로 떨어지며 위 식은 다음과 같이 된다.
Dsinθ=1.22λ
따라서 원형 개구 회절 무늬의 중앙 극대는 그림 6및 7과 같이 원형이며 이를
Airy disc라 한다. far field에서 Airy disc의 각 반경은 다음과 같다.
Δθ=1.22Dλ
- 9 -
그림 6. 원형개구에 의한 회절 무늬
그림 7. 원형개구에 의한 회절
5. 원형코일의 자기장
원형 코일의 자기장의 세기는 로 단위 길이당 감은 수( n)와 전류의 세
기에 비례한다. 실험에 사용된 원형코일은 단위 길이당 감은 수 회
이다. 원형코일의 내부에서는 자기장의 세기가 일정하다.
6. Helmholtz coil의 자기장
균일한 자기장을 발생시키기 위해 그림 8과 같은 Helmholtz coil을 이용한다.
Helmholtz coil은 동일한 반경과 공통 축을 갖는 두 원형 코일로 구성되었으며, 코
일 사이의 축상 중간 점에서 B의 2차 도함수가 영이 되도록 택한 거리만큼 떨어져
있다. 그림 8은 이와 같은 배치를 표시하고 있다. 점 O에서의 자기유도는
- 10 -
Biot-Savart의 법칙을 적용하면
B z(z) =Nμ 0Ia
2
2 { 1
(z 2+a 2 ) 3/2+
1
[ (2b-z) 2+a 2] 3/2 }과 같이 된다. 여기서 N은 각 코일에 감긴 수를 표시한다. B z의 z에 관한 1차
도함수는 다음과 같다.
dB z
dz=μ 0NIa 2
2 {- 32
2z(z 2+a 2 ) 5/2
-32
2(z-2b)[ (2b-z) 2+a 2 ] 5/2 }
이 도함수는 z=b에서 영이 된다. z에 관한 2차 도함수는 다음과 같다.
d 2B z
dz 2 =-3μ 0NIa 2
2 { 1
(z 2+a 2) 5/2-
52
2z 2
(z 2+a 2) 7/2+
1
[ (2b-z) 2+a 2] 5/2 -52
2(z-2b) 2
[ (2b-z) 2+a 2] 7/2 }
이것은 z=b에서 다음과 같이 간단화 되며,
d 2B z
dz 2 ∣ z = b = -3μ 0NIa 2
2 { 2a 2-8b2
(b2+a 2 ) 7/2 }만약 a 2-4b2 = 0 이라면 영이 된다. 그러므로 b에 관한 적당한 선택은
2b=a
이며, 코일의 간격은 반경과 같도록 취해야 한다. 이 간격에서 중간점의 자기 유
도는 다음과 같다.
B z =μ 0NI
a8
5 3/2
Helmholtz coil은 코일은 때때로 공간의 좁은 영역에 걸쳐서 비교적 균일한 자기
장을 만들 때 사용한다. 코일의 축상의 중간 점에 가까운 점에서의 자기장을 생각
하자. B z(z)는 z=12a인 점에 관해 Taylor 급수로 전개할 수 있다.
B z(z)=B z (12a )+(z-
12a)
∂B z
∂z∣
z =12
a+⋯
그런데 처음 세 개의 도함수는 영이 되며 다음과 같다.
( B z(z)=B z (12a )+
124
(z-12a ) 4
∂ 4B z
∂z 4 ∣z =
12
a+⋯
만약 제 4의 도함수가 계산되었다면, B z(z)는 다음과 같이 쓸 수 있다.
B z(z)=B z(a/2) {1- 144125
(z-a/2
a)}
그러므로 ∣z-a/2∣가 a/10 보다 작은 영역에서, B z(z)의 값은 B z(a/2)로부터
벗어나는 것이 10,000 분의 1.5 보다 작다.
또한, 위식을 Gauss 단위로 나타내면,
- 11 -
B z=32πN5 3/2a
I10
여기서 I는 [A], a는 [cm], B는 [Gauss]단위를 사용한다.
a
a
2b
z
x
y
z = b2
z = b2
o
I
I
BZ
N turns
그림 8. Helmholtz coil
Helmholtz coil의 자기장의 세기는 중앙 위치에서 일정함을 알 수 있고 그 세기는
전류의 세기와 코일의 감은 수에 비례함을 알 수 있다. 본 실험에서는 위식을 이용
하여 자기장의 세기를 구하였다.
자기장의 세기를 최대 500 Gauss이상 발생시키기 위해 코일의 감은 수 N을 각각
1200회씩 감았으며 전류는 최대 10 A까지 흘릴 수 있도록 하기 위해 코일을 지름이
1 mm인 것을 사용하였다. 그리고 홀 시료의 원활한 움직임을 위해 코일의 반지름
을 130 mm로 하였다.
- 12 -
Ⅲ. 탐구활동
1. 탐구1. 자성 유체의 물리화학적 특성
아래 그림 9에서 11은 자성액체의 농도에 따른 자기장하에서의 자성액체의 무늬
모양을 나타낸 것이다.
그림 9. 자성액체의
농도(고)
그림 10. 자성액체의
농도(중)
그림 11. 자성액체의
농도(저)
가. 자기장에 따른 무늬의 형태
자성 유체의 무늬 형태에 미치는 자기장의 영향을 조사하였다. 자기장의 세기는
전류값을 0-3 A로 변화시켰다. 자성 유체는 자성을 띤 입자가 들어있기 때문에 자
기장의 영향을 크게 받았다. 자기장 하에서 자성 유체는 원뿔 형태 무늬를 형성하
였고, 자기장의 세기가 커짐에 따라 무늬 높이가 높아졌고, 무늬간 거리가 멀어지
는 경향성이 있다.
전류값(DC, A) 0 1.5 3
무늬 형태 없음 원뿔 원뿔
무늬 높이 0 3 4
무늬간 거리(mm) 0 5 8
나. 무늬 형태에 미치는 온도의 영향
무늬 형태에 미치는 온도의 영향에 대하여 조사하였다. 자성 유체 용액의 온도
는 0-100℃이고 25℃ 간격으로 조사하였고 그 결과가 아래 표에 나타나있다. 자성
유체는 제조시 함유된 계면활성제가 온도의 영향을 받으리라 예상하였지만, 실험
결과는 온도는 자성 유체의 형태와 무늬간 간격의 영향을 주지 않았다.
- 13 -
온도 0 25 50 75 100
무늬 형태 없음 원뿔 원뿔 원뿔 원뿔
무늬 높이 4 4 4 4 4
무늬간
거리(mm)5 5 5 5 5
다. 무늬 형태에 미치는 용매의 영향
무늬 형태에 미치는 용매의 영향을 표에 나타나 있다. 페트리디쉬에 자성 유체
를 3mL 넣고 용매를 0.5mL 넣고 미니 교반기로 잘 섞어준 다음 자기장의 영향을
알아보았다. 강산, 강염기 및 에탄올은 자성 유체를 응집시켜 액체 자석이 자기장
의 영향을 받지 않았다. 그러나 증류수는 무늬 형성에 영향을 주지 않았고, 아세톤
은 무늬 형성을 했지만 증류수에 비해 무늬의 수가 적었고 모양이 불규칙하였다.
세제(퐁퐁)는 자성 유체와 잘 섞이었고 무늬형태나 수에 영향을 주지 않았다. 이
결과는 세제의 주성분이 계면활성제이기 때문에 자성체를 더 분산시켰기 때문이라
여겨진다.
온도 증류수 1M 황산1M
암모니아수아세톤 에탄올 세제
무늬 형태 형성 없음 없음 형성 없음 형성
특징 영향 없음 응집 형성 응집 형성 약간 영향 응집 형성 영향 없음
2. 탐구2. 자성 유체의 형태 변화에 미치는 물리화학적 영향
가. 자성 유체 무늬 변화에 미치는 계면활성제의 영향
자성 유체 무늬 변화에 미치는 계면활성제의 영향을 조사하고 그 결과를 아래
표에 나타나 있다. 혼합용액 제조 시 자성 유체는 시판용 그대로 원액을 사용하였
고 3종류 계면활성제는 0.025 M 농도를 사용하였다. 자성 유체는 3종류 계면활성
제와 모두 잘 혼합되었고, 무늬 형성은 계면활성제 종류에 관계없이 혼합비율 즉
계면활성제 농도에만 의존하였다. 계면활성제가 농도가 높아질수록 자성 유체 원
액에서 나타났던 입체적인 형태는 나타나지 않고 용액 속에서 일정 등간격으로 마
치 바늘을 세워 놓은 것처럼 새로운 형태가 나타났다.
- 14 -
계면활성제
종류
부피비[자성 유체(원액) : 계면활성제(0.025M)]
1 : 1 1 : 3 1 : 6 1 : 9
Dioctyl
sulfosuccinate
Sodium oleate
Sodium
dodecyl sulfate
나. 자성 유체 무늬 변화에 미치는 구리이온의 영향
자성 유체 무늬 변화에 미치는 구리이온의 영향에서 계면활성제 Dioctyl
sulfosuccinate 에서만 자성 유체의 자성이 없어졌다.
계면활성제 종류 탐구결과
Dioctyl sulfosuccinate
Sodium oleate
Sodium dodecyl sulfate
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3. 탐구3. 자기장하에서의 회절실험
가. 실험장치
자성 유체에 자기장을 가하면 자성 유체 입자들은 자기장의 방향으로 정렬을 한
다. 자성 유체들이 한 방향으로 정렬을 하면 작은 틈이 생기며 이 틈으로 레이저를
보내면 레이저 빛이 회절을 일으키며 스크린에 회절무늬를 만든다. 본 연구에서는
그림 12와 같이 솔레노이드를 이용하여 자기장을 발생시켰으며 솔레노이드 내부에
원통형의 투명 아크릴 용기를 넣고 용기 안에 계면활성제와 혼합시킨 자성 유체를
넣었다. 그림 13과 그림 14는 투명 아크릴 용기에 자성유체를 넣고 위에서 레이저
빛을 보내는 것을 보여주고 있다. 그리고 그림 15와 그림 16은 각각 실험 장치의
측면도와 평면도를 나타낸 것이다.
그림 12. 솔레노이드 그림 13. 회절실험장치 그림 14. 회절실험장치
그림 15. 실험장치 측면도 그림 16. 실험장치 평면도
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나. 슬릿에 의한 회절무늬
1) 단일 슬릿에 의한 회절무늬 관찰
단일 슬릿을 이용한 회절무늬를 얻기 위해 아크릴 용기의 바닥에 절연테이프를
이용하여 단일 슬릿을 만들어 부착하였다. 자기장을 가하면 자성 유체 입자들이 한
방향으로 정렬하게 되고 이곳에 레이저 빛이 입사하게 되면 회절무늬가 스크린에
나타난다. 그림 17은 일반적인 실험에서 단일슬릿을 이용한 회절무늬를 보여주고
있고 그림 18과 그림 19는 각각 자성유체의 농도가 저농도와 고농도에서 회절무늬
가 나타나는 것을 보여주고 있다. 실험에서 고농도 일 때 회절무늬의 간격이 넓어
지는 것을 확인할 수 있다. 이것은 정렬된 자성 유체들 사이의 간격이 좁아졌음을
의미한다.
그림 17. 단일슬릿의 회절
그림 18. 저농도 그림 19. 고농도
2) 다중슬릿 간섭무늬 관찰
그림 20과 그림 21은 각각 3중 슬릿과 4중 슬릿에 의한 간섭무늬와 같은 무늬를
보여주고 있는데 단일 슬릿의 틈에 정렬된 자성유체가 여러 틈을 만들면서 보여주
는 무늬이다.
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그림 20. 3중 슬릿 무늬 그림 21. 사중슬릿 무늬
다. 원형 개구에 의한 회절무늬
그림 22와 그림 23은 아크릴 용기의 바닥에 슬릿을 만들지 않고 레이저 빛을 보
냈을 때 만들어지는 원형의 회절무늬이다. 원형개구에 의한 회절무늬와 같은 무늬
가 만들어지며 자성 유체의 농도가 클 때 회절 무늬의 간격이 더 커진다.
그림 22. 저농도 그림 23. 고농도
4. 탐구4. 자성 유체를 응용한 스위치의 제작
가. 실험장치
자성 유체는 자기장이 공급되면 정렬을 하기 때문에 이를 응용하여 스위치를 제
작할 수 있다. 스위치의 응답시간을 측정하여 스위치의 성능을 알아보기 위해 자
기장을 변화시켜 자성 유체에 공급하고 자성 유체를 통과한 레이저 빛을 검출기로
검출하여 이 응답시간을 알아보도록 했다. 그림 24는 자성 유체를 이용한 스위치
의 응답시간을 알아보기 위한 실험 장치이다. 자성 유체를 통과한 빛이 광센서에
도달되어 신호가 오실로스코프에 입력된다. 솔레노이드에 교류 진동수의 자기장을
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가하고 자기장의 진동수와 광센서의 진동수를 오실로스코프로 비교하여 응답시간
을 측정할 수 있다. 이 장치의 응답 시간은 0.01초 이하로 측정되었다.
그림 24. 자성 유체를 이용한 스위치 실험장치
그림 25처럼 자성 유체를 솔레노이드위에 놓고 자기장을 가하면 자성 유체 입자
들은 레이저의 방향에 수직으로 정렬하여 레이저의 진행을 막고 자기장을 가하지
않으면 그림 26과 같이 레이저 빛이 자성 유체를 통과하여 광센서에 도달된다. 따
라서 자기장의 유무에 의해 광센서에 응답 신호를 전달하여 스위치 역할을 할 수
있다. 레이저의 방향을 자기장과 나란하게 할 수도 있는데 이 경우는 자기장을 가
하면 빛이 통과하고 가하지 않으면 빛이 통과 할 수 없다. 또한 이 경우는 자성유
체의 농도를 좀 더 크게 하면 된다.
그림 25. 자기장을 가했을 때
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그림 26. 자기장을 가하지 않았을 때
5. 탐구5. 교류 자기장하에서 자성 유체의 비열의 변화
가. 실험장치
그림 27과 그림 28은 솔레노이드에 주파수를 변환시켜 전류를 공급하는 실험 장
치로 그림 27은 전원 장치와 함수 발생기이고, 그림 28은 발생된 신호를 증폭시키
는 장치이다. 주파수를 가변시켜 솔레노이드에 전류를 공급하면 자성 유체에 자기
장이 변환되어 작용한다. 이때 그림 29와 같은 온도 측정 장치로 자성 유체의 온
도를 측정할 수 있고 그림 30과 같은 회로를 이용하여 온도를 컴퓨터로 정확히 측
정 할 수 있다. 따라서 자성 유체의 농도에 따라 교류 자기장하에서 비열의 변화
를 알아볼 수 있다. 이 때 사용된 교류 자기장의 주파수는 100 Hz이다.
그림 27. 전원장치와 함수발생기 그림 28. 증폭기 회로
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그림 29. 온도의 측정 그림 30. 신호 검출기
나. 교류 자기장하에서 비열의 변화
아래 그래프는 자성 유체와 계면활성제의 비율을 1:12로 하여 솔레노이드에 넣고
코일에 전류를 흘려 온도를 변화시킨 것이다. 자성 유체는 솔레노이드에서 발생하
는 열에 의해 온도가 변화 된다. 그래프에서 남색은 자성유체의 온도변화이고 붉은
색은 물의 온도변화이다. 물과 자성 유체의 비열이 거의 같음을 알 수 있다. 자기장
하에서 자성 유체는 물과 거의 같은 비열을 나타냈지만 자기장을 제거한 후 그래프
에서 볼 수 있는 것처럼 11분 이후에 물은 온도가 낮아지지만 자성 유체의 온도는
급격히 올라가는 것을 볼 수 있다. 이것은 자기장하에서 자성 유체의 비열이 커짐
을 보여준다.
30.5
31
31.5
32
32.5
33
33.5
0 5 10 15
시간(분)
온도(도)
그림 31. 자성액체의 온도 특성
아래 표에 자성 유체의 농도를 변화시키면서 측정한 비열을 나타내었다. 자성유체
의 농도가 증가할수록 비열이 작아짐을 알 수 있다. 따라서 자성 유체와 계면활성
제의 비율을 변화시켜 비열을 변화시킬 수 있다.
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자성유체 :
계면활성제1:1 1:3 1:6 1:9 1:12
비열
(cal/g․℃)0.64 0.71 0.8 0.92 1.0
6. 탐구6. Helmholtz coil에 의한 자성유체의 회절무늬
가. 실험장치
Helmholtz coil을 이용하여 자성 유체에 자기장을 가하여 여러 가지 모양의 회절
무늬를 만들 수 있는 장치를 제작해 보았다. 자기장의 주파수를 변화시키기 위하여
함수 발생기를 이용하였고 함수 발생기의 신호를 증폭시키기 위하여 증폭기를 부착
하였다. 두 원형 코일 사이에 자성 유체를 놓아 교류 자기장하에서 자성 유체 입자
들을 진동시키고 이 때 레이저 빛을 자성 유체에 통과시키면 스크린에 여러 가지
회절 무늬가 나타난다.
그림 32와 그림 33은 Helmholtz coil을 이용한 실험 장치를 나타낸 것이고 그림
34와 그림 35는 실험에 사용된 Helmholtz coil의 측면도와 평면도를 나타낸 것이다.
그림 32. 회절실험장치
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그림 33. 회절 실험
그림 34. 측면도 그림 35. 평면도
나. 회절무늬 관찰
아래 그림 36에서 44까지의 그림들은 자기장과 자성유체의 농도 그리고 슬릿의 모
양을 변화시키면서 얻은 회절무늬들이다. 다양한 종류의 회절무늬를 얻을 수 있다.
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그림 36. 회절무늬 1 그림 37. 회절무늬 2 그림 38. 회절무늬 3
그림 39. 회절무늬 4 그림 40. 회절무늬 5 그림 41. 회절무늬 6
그림 42. 회절무늬 7 그림 43. 회절무늬 8 그림 44. 회절무늬 9
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Ⅳ. 결론 및 제언
자기장하에서 자성 유체의 물리화학적인 특성의 연구를 위해 여러 가지 다양한
연구를 해 보았으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
첫째, 자기장에 따른 자성유체의 무늬 형태를 알아본 결과 자성 유체는 자성을 띤
입자가 들어있기 때문에 자기장의 영향을 크게 받았다. 자기장 하에서 자성 유
체는 원뿔 형태 무늬를 형성하였고, 자기장의 세기가 커짐에 따라 무늬 높이가
높아졌고, 무늬간 거리가 멀어지는 경향성이 있다.
둘째, 온도에 따른 자성유체의 형태를 관찰해 본 결과 실험 결과는 온도는 자성
유체의 형태와 무늬간 간격의 영향을 주지 않았다.
셋째, 용매에 따른 자성유체의 자기장하에서의 무늬의 형태는 강산, 강염기 및 에
탄올은 자성 유체를 응집시켜 자성 유체가 자기장의 영향을 받지 않았다. 그러
나 증류수는 무늬 형성에 영향을 주지 않았고, 아세톤은 무늬 형성을 했지만 증
류수에 비해 무늬의 수가 적었고 모양이 불규칙하였다.
넷째, 자성 유체 무늬 변화에 미치는 계면활성제의 영향은 무늬 형성은 계면활성
제 종류에 관계없이 혼합비율 즉 계면활성제 농도에만 의존하였다.
다섯째, 자성 유체 무늬 변화에 미치는 구리이온의 영향에서 계면활성제 Dioctyl
sulfosuccinate 에서만 자성 유체의 자성이 없어졌다.
여섯째, 자기장하에서 자성유체를 이용한 회절실험은 단일슬릿 회절, 다중슬릿 간
섭, 원형 개구에 의한 회절 실험 등 다양한 회절무늬를 관찰할 수 있었다.
일곱째, 자성 유체를 응용한 스위치의 제작에 관한 실험에서는 스위치의 반응시간
이 0.01초 이하로 나타났다.
여덟째, 교류 자기장하에서 자성 유체의 비열 실험은 농도가 클수록 비열이 작게
나타났다.
아홉째, Helmholtz coil에 의한 자성 유체의 회절무늬 관찰 실험은 매우 다양한 회
절무늬를 관찰할 수 있었다.
이상과 같이 자기장하에서 자성 유체의 물리적 특성 변화 및 응용에 관한 연구
는 매우 다양한 연구결과를 얻게 되었고, 자성 유체의 고유 진동수를 찾는 연구
등이 이루어지기를 기대해 본다.
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