자기계는 자기장의 크기 또는 방향을 정량화하는 정밀 기기입니다. 현대 전자제품에 널리 쓰입니다: 스마트폰의 미세 센서는 기기 방향을 감지하고, NASA 화성 탐사선에 탑재된 정교한 장치는 행성의 자기 지형을 매핑합니다.
이 기사는 자기계의 핵심 물리학, 히스테리시스 곡선과의 관계, 일상생활과 첨단 연구에서 접할 기술의 개요를 다룹니다.
대부분의 자기계는 유도된 자기 모멘트를 측정하여 자기장을 추론합니다. 면적 A와 전류 I를 가진 폐전류 루프의 자기 모멘트 m은 크기가 I×A인 벡터입니다. 외부 자기장(B)에서 루프가 받는 토크(τ)는 수학적으로 다음과 같이 표현됩니다:
$$\overrightarrow{\tau} = \overrightarrow{m} \times \overrightarrow{B}$$
자기 모멘트가 벡터이므로, 자기계가 방향과 크기를 모두 포착하는 능력은 중요합니다. 벡터 자기계는 3차원 자기장을 모두 보고하는 반면, 스칼라 장치는 강도만 측정합니다.
국제단위계(SI)에서 자기 모멘트는 암페어·제곱미터(A·m²)로 표현됩니다. 실제로는 1 erg = 10⁻⁷ 줄인 erg/G 같은 단위도 접할 수 있습니다.
자기 물질은 외부 자기장에 다르게 반응하며, 상자성, 반자성, 강자성 등으로 분류됩니다. 이들의 행동은 자기 플럭스 밀도(B)를 자기장 강도(H)에 대해 플로팅한 히스테리시스 곡선으로 우아하게 포착됩니다.
이 곡선의 주요 특징에는 인가된 자기장이 제거된 후에도 지속되는 잔류 자화(retentivity)와 물질을 탈자화하는 데 필요한 역자기장인 보자력(coercivity)이 포함됩니다. 이러한 특성을 마스터하는 것은 물리학, 재료 과학, 공학의 발전을 주도해 왔습니다.
자기 센서가 생성하는 신호는 종종 미세하고 노이즈에 취약하므로, 필터, 증폭기, 때로는 록인 회로 같은 수반 전자회로가 필수적입니다. 현대 설계는 이러한 컨디셔닝 단계를 집적 회로(IC) 내부에 내장하여 오류를 줄이고 공간을 절약합니다.
별도 솔루션은 새로운 연구 응용이나 고도로 특화된 산업 공정처럼 맞춤형 컨디셔닝이 필요할 때 여전히 가치가 있습니다.
스마트폰부터 과학 연구실까지, 자기계는 다양한 역할을 수행합니다:
모터 응용에서 여러 홀 센서가 축 주변에 전략적으로 배치됩니다. 각 금속 부품이 통과할 때마다 사각파 또는 정현파 펄스가 유도되어 회전 속도와 위치를 정밀하게 계산합니다.
ST마이크로일렉트로닉스 같은 제조사의 MEMS 전자 나침반은 이제 가전제품에서 흔히 볼 수 있으며, 기기가 자기장 판독을 기반으로 디스플레이를 자동 회전하거나 내비게이션할 수 있게 합니다.
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