永久磁石

永久磁石についての詳解

永久磁石（えいきゅうじしゃく、英: permanent magnet）とは、外部からのエネルギー供給がなくても、長期間にわたりその磁気の性質を維持できる物体のことを指します。古代のギリシアで発見された磁石の歴史は、紀元前600年頃までさかのぼります。しかし、永久磁石に関する本格的な理解が進んだのは量子力学の発展以降であり、人工的に作られた永久磁石が登場したのは20世紀に入ってからのことです。

永久磁石の基本的な原理

永久磁石は、物質に固有の性質である強磁性を必要としますが、単にこの強磁性を持っているだけでは永久磁石とはなりません。永久磁石には、室温よりも高い磁気転移点を持つこと、大きな磁化及び磁気異方性を持つことが求められ、さらに微細な粒子構造が形成されることでその特性を生み出します。このため、永久磁石は物質の固有特性だけでなく、物質とその構造との相互作用によって生じる複合的な特性を有しています。

具体的な例としては、アルニコ磁石、フェライト磁石、ネオジム磁石などが永久磁石に該当します。一方で、外部の磁場の影響を受けてのみ脂肪磁石の性質を示す軟鉄などは、一時的な磁石と見なされます。

原子とスピンの関係

永久磁石のしくみは、原子の構造に深く関わっています。各原子は、原子核とその周囲を回る電子で構成されていますが、これらの電子は電荷を持つだけでなく、スピンと呼ばれる特有の性質を持っています。スピンによって、電子は自身が小さな磁石のような性質を発現します。

たとえば、鉄原子は26個の陽子と同様に26個の電子を有しています。電子同士は互いにスピンを相殺しようとする性質がありますが、もし相殺しきれないスピンが残った場合、その原子自体が磁石の性質を持つことになります。特に鉄、ニッケル、コバルトなどは、3d軌道に余ったスピンを有し、永久磁石の製造において重要な素材となっています。

強磁性体の性質

大半の物質では、熱的な擾乱が原子内の電子の向きを乱してしまい、その結果として物質全体が磁気モーメントを示すことはありません。しかし、物質全体が強い磁気モーメントを発揮するためには、原子間の強い相互作用が必要です。このような物質のことを強磁性体と呼び、隣接する原子の電子が交換相互作用を通じてそのスピンを同じ方向に揃えることで、磁性が生じます。

強磁性体が加熱されると、その内部で熱的擾乱エネルギーが旺盛になり、交換エネルギーを超えてスピンの整合性が失われるため、磁性を失います。

永久磁石の分類

永久磁石は、主に原料、結晶の配向度、製造方法に基づいて分類されます。

原料による分類

- 非希土類系金属磁石（metal magnet）: アルニコ磁石のように金属を原料とした磁石。
- フェライト磁石: 酸化鉄を基に焼き固められる酸化物磁石。
- 希土類磁石: ネオジムやサマリウムといった希土類元素が使われる磁石。

結晶の配向度による分類

- 異方性磁石: 磁化容易方向が揃っている磁石で、特定の方向に強い磁気を持つ。
- 等方性磁石: 任意の方向で同様な磁気特性を発現する磁石。

製造方法による分類

- 鋳造磁石: 合金を鋳造して作られる磁石。
- ボンド磁石: 磁性粉末を樹脂で固めた磁石。
- 焼結磁石: 磁性粉末を焼結させた形状。
- 熱間加工磁石: 熱間の状態で加工された磁石。

以上のように、永久磁石はさまざまな観点から考察される重要な物質であり、工業や科学の分野で非常に広範に利用されています。

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