01 다음은 물질의 자성에 대한 설명이다. 옳은 것은 □, 옳지 않은 것은 ×로 표시하시오.

Ⅱ. 물질과 전자기장 / 1. 전자기장

17. 물질의 자성

소단원 문제

⑴ 자성이 나타나는 주된 이유는 원자핵의 운동 때문이

다. (     )

⑵ 스핀의 방향이 짝을 이루지 않는 전자들이 많을수록

자성이 강해진다. (     )

⑶ 반자성체는 자석을 가까이 가져가면 밀려난다. (     )

⑷ 강자성체는 원자 내에 서로 반대 방향으로 회전하는

전자들의 짝이 많다. (     )

⑸ 상자성체는 외부 자기장을 제거하면 자석의 효과가 사

라진다. (     )

02 그림은 물질에 외부 자기장을 가했을 때와 외부 자기장을 제거했을 때 물질 내 원자들의 모습을 모식적으로 나타낸 것이다. 괄호 안에 해당하는 물질의 자성을 쓰시오.

외부 자기장을 가했을 때	외부 자기장을 제거했을 때	물질의 자성
		[eqn: (1)]( ) [eqn: (2)]( ) [eqn: (3)]( )

03 그림은 물질 A, B에 외부 자기장을 가했을 때 물질 내부의 원자 자석에 의한 외부 자기장의 자기력선 변화를 나타낸 것이다. A와 B는 각각 강자성체와 반자성체 중 하나이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. A는 반자성체이다. ㄴ. B를 구성하는 원자 자석들은 외부 자기장과 반 대 방향으로 정렬된다. ㄷ. 자기화 되지 않은 철은 외부 자기장에 의해 B와 같은 자성을 띤다.

① ㄱ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

04 그림과 같이 아크릴 관에 자석을 고정하여 전자 저울 위에 놓고 무게를 측정한 후, 상자성 물체 A와 반자성 물체 B를 각각 자석으로부터 같은 높이에 위치시켜 저울 측정값을 읽고 표로 나타내었다.

물체	저울 측정값(N)
없음	1.000
A	0.998
B	(가)

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 아크릴 관을 사용하는 이유는 자석의 인력이 저울에 미치는 영향을 최소화하기 위함이다.)

	<보 기>
ㄱ. A 내부의 원자 자석은 자석이 만드는 자기장 방 향과 반대 방향으로 정렬된다. ㄴ. (가)는 1.000(N)보다 크다. ㄷ. 자석에 가까운 물체의 아랫면이 N극이 되는 것 은 B이다.

① ㄴ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

05 그림 (가)는 반자성체인 물방울이 자기장이 형성된 공간에 떠 있는 모습을, (나)는 강자성체인 고철이 기중기의 전자석에 붙어 있는 모습을 나타낸 것이다.

(가)                      (나)

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. (가)에서 외부 자기장을 제거하면 반자성체가 형 성하는 자기장이 바로 사라진다. ㄴ. (나)에서 고철을 구성하는 원자의 전자는 모두 짝을 이루고 있다. ㄷ. 전자석에 붙은 고철과 물방울 사이에는 끌어당 기는 자기력이 작용한다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

06 그림과 같이 자기화 되어 있지 않은 강자성 물체를 균일한 외부 자기장 영역에 고정시켜 놓았더니 물체의 왼쪽이 S극, 오른쪽이 N극으로 자기화 되었다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. 외부 자기장의 방향은 [eqn: +x]이다. ㄴ. 물체를 구성하는 원자의 전자들은 스핀이 서로 반대인 전자들이 대부분 짝을 이루고 있다. ㄷ. 외부 자기장을 제거하여도 물체는 자기화 된 상 태를 오래 유지하는 성질이 있다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

07 그림과 같이 상자성 막대와 자기화 되어 있지 않은 강자성막대에 도선을 감아 회로를 구성한 후, 스위치 S를 닫았을 때 일정한 세기의 전류가 흐른다. a에서 자기장의 방향은 [eqn: +x]이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 점 a는 중심축 위에 있다.)

	<보 기>
ㄱ. 두 막대 사이에 작용하는 자기력은 인력이다. ㄴ. 전원 장치의 단자 P는 (+)극이다. ㄷ. S를 열어 전류가 흐르지 않으면 상자성 막대와 강자성 막대 사이에 작용하는 자기력은 0이다.

① ㄴ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

08 그림과 같이 O점을 중심으로 전자가 원운동을 하고 있다. 전자의 궤도 운동에 의한 전류의 방향과 중심 O에서 자기장의 방향을 설명하시오.

09 그림은 균일한 자기장이 형성된 xy평면에 반자성체를 넣었을 때, 반자성체 내부의 원자 자석 배열을 모식적으로 나타낸 것이다.

균일한 외부 자기장의 방향을 원자 자석의 극을 이용하여

설명하시오.

정답과 해설

01 ⑴ ×  ⑵ ○  ⑶ ○  ⑷ ×  ⑸ ○  02 ⑴ 강자성  ⑵ 상자성

⑶ 반자성    03 ④     04 ⑤     05 ①     06 ④     07 ③

08 전류 : 시계 방향, 자기장 : 아래 방향(-z 방향)  09 해설 참조

01

⑴ 물질의 자성이 나타나는 이유는 원자를 구성하는 전자들의 원자 핵 주위를 운동하는 궤도 운동과 전자 스스로의 자전에 의한 스핀 때문이다.

⑵ 전자들이 짝을 이루게 되면 서로 반대 방향으로 스핀을 가진 전자와 짝을 이루게 되어 스핀에 의한 자기장이 서로 상쇄되므로 원자 자석이 약하게 된다. 따라서 스핀의 방향이 짝을 이루지 않는 전자들이 많을수록 자성이 강해진다.

⑶ 반자성체는 외부 자기장과 반대 방향으로 원자 자석들이 배열되므로 척력이 작용하게 된다.

⑷ 강자성체는 원자 자석의 자성이 강하므로 서로 짝을 이루고 있지 않은 전자들이 많다.

⑸ 상자성체는 약하게 자화되는 원자 자석들로 이루어져 있어 외부 자기장이 사라지면 원자 자석들의 배열이 다시 무질서해져 자성을 나타내지 않는다.

02

외부 자기장과 물질을 이루는 원자 자석들이 같은 방향으로 정렬되는 것은 강자성체와 상자성체이다. 외부 자기장을 제거했을 때 원자 자석의 배열이 외부 자기장의 방향으로 계속 유지되고 있으면 강자성체, 무질서한 배열이 되면 상자성체이다. 반자성체는 외부 자기장과 물질을 이루는 원자 자석들이 반대 방향으로 정렬되

었다가 외부 자기장이 제거되면 자성이 사라진다.

03

ㄱ. 외부 자기력선이 A의 내부를 통과하지 못한다는 것은 물질 내부의 원자 자석들이 외부 자기장의 방향과 반대로 정렬되어 있기 때문이다. 따라서 A는 반자성체이다.

ㄷ. 철은 강자성체이므로 B와 같은 자성을 띤다.

ㄴ. B는 강자성체이므로 B를 구성하는 원자 자석들은 외부 자기장과 같은 방향으로 정렬된다.

오답 체크

04

A의 측정값이 자석의 원래 무게보다 작아졌으므로 자석과 A 사이에는 인력이 작용하였다. 자석을 끌어당긴 A는 상자성 물체이다.

ㄴ. B는 반자성 물체이므로 자석을 밀어내는 척력이 작용한다. 따라서 B의 측정값은 자석의 원래 무게보다 커질 것이다.

ㄷ. 자석의 윗면이 N극이므로 물체의 아랫면이 N극이면 척력이다. 자석과 척력이 작용하는 물체는 반자성체인 B이다.

ㄱ. A는 상자성 물체이므로 원자 자석은 외부 자기장과 같은 방향으로 약하게 정렬된다.

오답 체크

05

ㄱ. 반자성체를 구성하는 원자들은 평소에는 자성이 없지만 외부 자기장에 의해 자기장의 변화가 생기면 패러데이 법칙을 만족하는 방향으로 원자 자석들이 배열하게 된다. 따라서 외부 자기장이 제거되면 자기장의 변화가 없으므로 반자성체가 형성하는 자기장도 바로 사라진다.

ㄴ. 고철은 강자성체이므로 구성하는 원자 자석들의 자성이 강하게 자화된다. 따라서 강자성체 내부 원자의 전자들은 짝을 이루지 않는 전자가 많다.

오답 체크

ㄷ. 고철은 강자성체라서 외부 자기장이 사라져도 자석의 효과가 남아 있으므로 반자성체인 물방울과 서로 미는 자기력이 작용한다.

06

ㄱ. 강자성체를 왼쪽이 S극, 오른쪽이 N극으로 자기화 되는 것은 구성하는 원자 자석들이 외부 자기장과 같은 방향으로 정렬되기 때문이다. 따라서 외부 자기장의 방향은 [eqn: +x]이다.

ㄷ. 강자성체를 구성하는 원자 자석들은 강한 자성을 나타내므로 외부 자기장에 의해 한쪽으로 정렬되면 인접한 원자 자석에게 영향을 준다. 즉, 외부 자기장이 제거되어도 정렬이 바로 무질서해지지 않는다. 따라서 강자성체의 자기화 된 상태는 오래 유지된다.

ㄴ. 강자성체를 구성하는 원자 자석들은 강한 자성을 나타내므로 서로 짝을 이루지 않는 전자들이 많다.

오답 체크

07

a에서 자기장의 방향이 +x이므로 두 막대에 흐르는 전류의 방향은 그림과 같다.

ㄱ. 상자성 막대의 오른쪽은 N극, 강자성 막대의 왼쪽은 S극이므로 두 막대 사이에는 인력이 작용한다.

ㄴ. 두 막대에 흐르는 전류의 방향이 그림과 같이 흐르려면 전원 장치의 P는 (+)극이다.

ㄷ. S를 열어 솔레노이드에 전류가 흐르지 않더라도 강자성 막대는 자석의 효과가 남아 있으므로 상자성 막대를 자기화 시켜 서로 끌어당기는 자기력이 나타나게 된다.

오답 체크

08

정답 키워드

전자의 궤도 운동에 의한 자기장

모범답안_ 전류: 시계 방향, 자기장: 아래 방향(-z방향)

해설_

전자는 음(-)전하를 띠고 있으므로

전자의 운동 방향의 반대 방향으로

전류가 흐르게 된다. 따라서 전자의

운동에 의한 O에서의 자기장의 방

향은 앙페르 법칙을 적용시키면

–z 방향이다.

채점 기준

등급	채점 기준	배점(%)
A	전류의 방향과 자기장의 방향이 모두 올바른 경우	100
B	전류의 방향과 자기장의 방향 중 1가지만 올바른 경우	50

09

정답 키워드

반자성체의 자성

모범답안_ 원자 자석의 N극이 오른쪽인 것으로 보아, 반자성체 내부의 자기장은 오른쪽 방향이다. 따라서 외부 자기장의 방향은 왼쪽임을 알 수 있다.

채점 기준

등급	채점 기준	배점(%)
A	원자 자석의 극을 이용하여 외부 자기장의 방향을 올바르게 설명한 경우	100
B	외부 자기장의 방향만 올바르게 설명한 경우	50