反磁性

反磁性の概念とその特性

反磁性とは、外部の磁場がかかった際に、その物質が磁場の逆方向に磁化される現象を指します。この際、磁場とその勾配の積に比例する力が物質を反発する方向に働きます。反磁性体は、自発的な磁化を示さず、この特性は1778年にブルグマンスによって発見されました。その後、1845年にファラデーがこの現象に「反磁性」と名付けました。

反磁性のメカニズム

反磁性の背景には、原子内の電子が外部磁場によって励起され、外部磁場を打ち消す方向に回転運動を行うことが関与しています。このように、反磁性は全ての物質に見られる性質であるものの、強磁性や常磁性などの他の強い磁性に埋もれがちです。特に、閉殻電子を持つ原子では、電子のスピンが互いに打ち消し合うことで、反磁性が顕著に表れることがあります。

反磁性の歴史

反磁性の概念は、さまざまな発見や理論を経て進化してきました。1778年、ブルグマンスがビスマスとアンチモンの反発を発見し、1845年にはファラデーが「反磁性」を分類しました。1895年にはジョゼフ・ラーモアが反磁性を古典的に説明し、1911年にはニールス・ボーアが古典的説明の限界を示しました。1933年にマイスナーが超伝導体が非常に強い反磁性を持つことを発見し、この現象はマイスナー効果として知られるようになりました。

反磁性の効果

反磁性体に磁石を近づけると、一般的には物質が反発します。この現象は、同極同士の磁石が反発するのと似ているものの、反磁性体の特性はそれとは異なります。反磁性体は外部磁場に応じてその磁性を変化させ、外部磁場が消えると同時にその効果も消えます。また、強い外部磁場をかけても自発的に磁化されることはありません。

浮上現象

特に強い外部磁場をかけた反磁性体は、重力に打ち勝って浮遊することができます。例えば、高強度の磁場を利用して、水を多く含んだリンゴや生物を浮かせる実験が行われています。反磁性の強い熱分解カーボンやビスマスも、強力なネオジム磁石を用いて浮かせることが可能です。

モーゼ効果

水もわずかながら反磁性を示します。水を入れた容器の中心に強力な磁石を置くと、水が左右に分かれる現象が現れ、「モーゼ効果」と呼ばれます。逆に常磁性の液体では、中心に液体が集まる現象が起こります。

反磁性の強さ

反磁性自体は非常に弱い特性であるため、反磁性を示す物質が非磁性と誤解されることがあります。水や銅、木材など、日常的な物質も反磁性を持っているため、強い外部磁場下ではその特性が顕著に表れます。とはいえ、反磁性は強磁性や常磁性と比べると小さいため、普段は意識されにくいです。

超伝導体における完全反磁性

超伝導体は、特異な条件下で非常に強力な反磁性を示し、この現象は「完全反磁性」または「マイスナー効果」と呼ばれます。超伝導体には第一種と第二種があり、第一種は内部に完全に磁束を持ち込むことを許さず、第二種は単一の磁束が貫通します。

結論

反磁性は物質の基礎的な性質であり、古典的な説明から量子力学に至るまで、多くの研究がなされてきました。反磁性の理解は、物質の電磁特性の理解を深め、様々な応用の可能性を広げています。

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