強磁性は、いくつかの物質に強烈かつ恒久的な磁気応答を与えるプロパティです。自然界には、この特性を持つ5つの元素があります。鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウム、ジスプロシウム、後者の希土類です。
天然磁石や電磁石によって生成されるような外部磁場が存在する場合、物質はその内部構成に従って特徴的な応答をします。この応答を定量化する大きさが透磁率です。
橋を形成する磁石。出典：Pixabay
透磁率は、材料内部で発生する磁場の強度と外部から加えられる磁場の強度との商によって与えられる無次元の量です。
この答えが1をはるかに超える場合、材料は強磁性体として分類されます。一方、透磁率が1以下の場合は、磁気応答が弱いと考えられ常磁性体となります。
鉄の透磁率は10 4のオーダーです。これは、アイアン内部のフィールドが外部から適用されるフィールドよりも約10,000倍大きいことを意味します。これは、このミネラルの磁気応答がどれほど強力であるかのアイデアを与えます。
磁気応答は物質の内部でどのように発生しますか？
磁性は電荷の移動に伴う影響であることが知られています。それがまさに電流が構成するものです。では、冷蔵庫にメモが貼られている棒磁石の磁気特性はどこから来るのでしょうか。
磁石の材料やその他の物質は、内部に陽子と電子を含んでいます。陽子と電子は、独自の動きを持ち、さまざまな方法で電流を生成します。
非常に簡略化されたモデルでは、陽子と中性子で構成される原子核の周りの円軌道にある電子を想定し、電流の小さなループを形成します。各ループは、「軌道磁気モーメント」と呼ばれるベクトルの大きさに関連付けられており、その強度は、電流とループによって決定される面積の積、ボーア磁子によって与えられます。
もちろん、この小さなループでは、電流は電子の電荷に依存します。すべての物質は内部に電子を含んでいるため、原理的にはすべて磁気特性を発現する可能性があります。ただし、すべてがそうするわけではありません。
これは、その磁気モーメントが整列しておらず、内部でランダムに配置されているため、巨視的な磁気効果が相殺されるためです。
話はここで終わりません。核の周りの電子運動の磁気モーメント積は、このスケールで可能な唯一の磁気源ではありません。
電子はその軸を中心に一種の回転運動をします。これは、固有の角運動量に変換される効果です。この性質を電子スピンといいます。
当然、それに関連する磁気モーメントもあり、軌道モーメントよりもはるかに強力です。実際、原子の正味の磁気モーメントへの最大の寄与はスピンによるものですが、両方の磁気モーメント、つまり並進の運動量と固有の角運動量の磁気モーメントの両方が、原子の総磁気モーメントに寄与します。
これらの磁気モーメントは、外部磁場の存在下で整列する傾向があるものです。そして、それらはまた、素材内の隣接するモーメントによって作成されたフィールドでそれを行います。
現在、電子は通常、多くの電子を持つ原子で対になっています。反対のスピンを持つ電子間でペアが形成され、スピン磁気モーメントが相殺されます。
スピンが全磁気モーメントに寄与する唯一の方法は、それらの1つが対になっていない場合、つまり、原子の電子数が奇数である場合です。
核内の陽子の磁気モーメントはどうですか？まあ、それらにもスピンモーメントがありますが、原子の磁性に大きく寄与するとは考えられていません。これは、スピンモーメントが質量に反比例し、陽子の質量が電子の質量よりもはるかに大きいためです。
磁区
鉄、コバルト、ニッケルでは、大きな磁気応答を持つ元素の3つ組があり、電子によって生成される正味のスピンモーメントはゼロではありません。これらの金属では、最外部の3d軌道の電子が正味の磁気モーメントに寄与します。そのため、そのような材料は強磁性と見なされます。
しかしながら、各原子のこの個々の磁気モーメントは、強磁性体の振る舞いを説明するには不十分です。
内部強く磁性材料と呼ばれる領域が存在する磁区エクステンション10の間で変化することができ、-4と10 -1 cmであり、その原子数十億を含むが。これらの領域では、隣接する原子の正味のスピンモーメントが強く結合します。
磁区を持つ材料が磁石に近づくと、磁区は互いに整列し、磁気効果を強めます。
これは、棒磁石のようなドメインには磁極があり、北と南に等しく示されているため、同じような極が反発し、反対が引き付けられるためです。
ドメインが外部フィールドと整列すると、適切な増幅によって聞こえる亀裂音が材料から放出されます。
この効果は、磁石が軟鉄の釘を引き付け、磁石が他の釘を引き付けるように振る舞うときに見られます。
磁区は、材料内に確立される静的な境界ではありません。そのサイズは、材料を冷却または加熱し、外部磁場の作用にさらすことによって変更できます。
ただし、ドメインの成長は無制限ではありません。それらを整列させることがもはや不可能になった瞬間に、材料の飽和点に達したと言われています。この影響は、以下のヒステリシス曲線に反映されています。
材料の加熱により、磁気モーメントの整列が失われます。磁化が完全に失われる温度は、材料の種類によって異なりますが、棒磁石の場合、通常、770℃付近で失われます。
磁石が取り外されると、常に存在する熱攪拌により、釘の磁化が失われます。しかし、それらは自発的に整列したドメインを持っているので、永久磁化を持っている他の化合物があります。
磁区は、軟鉄などの非磁性強磁性材料の平坦な領域が非常によくカットおよび研磨されているときに観察できます。これが完了すると、粉末または細かい鉄のやすりが散りばめられます。
顕微鏡下で、チップは、材料の磁区に続いて、非常に明確に定義された配向で鉱物形成領域にグループ化されていることが観察されます。
異なる磁性材料間の振る舞いの違いは、それらの中での磁区の振る舞いによるものです。
磁気ヒステリシス
磁気ヒステリシスは、透磁率の高い材料のみが持つ特性です。常磁性または反磁性材料には存在しません。
これは、磁化と消磁のサイクル中の強磁性金属の磁気誘導Bに対する、Hで示される外部磁場の影響を表します。表示されるグラフはヒステリシス曲線と呼ばれます。
強磁性ヒステリシスサイクル
最初は点Oには磁場Hまたは磁気応答Bはありませんが、Hの強度が増加するにつれて、誘導Bは点Aで飽和の大きさB sに到達するまで徐々に増加します。
これで、Hの強度は0になるまで徐々に減少し、ポイントCに到達しますが、材料の磁気応答は消えず、値B rで示される残留磁化を保持します。これは、プロセスを元に戻すことができないことを意味します。
そこからHの強度は増加しますが、極性が反転（負の符号）するため、残留磁化はポイントDでキャンセルされます。Hの必要な値はH cとして示され、保磁力と呼ばれます。
Hの大きさは、再びEで飽和値に達するまで増加し、すぐにHの強度は0に達するまで減少しますが、ポイントFでは、前述とは逆の極性の残留磁化が残っています。
これで、Hの極性は再び反転し、その大きさは、点Gでの材料の磁気応答がキャンセルされるまで増加し、パスGAに従って、その飽和が再び得られます。しかし興味深いのは、赤い矢印で示されている元のパスではそこに到達しなかったことです。
磁気的に硬くて柔らかい材料：アプリケーション
軟鉄は鋼よりも磁化しやすく、材料を軽くたたくことでドメインの整列がさらに容易になります。
材料が磁化および消磁しやすい場合、それは磁気的に柔らかいと言われます。もちろん、逆のことが起こった場合、それは磁気的に硬い材料です。後者の場合、磁区は小さく、前者の場合は大きいので、上記のように顕微鏡で見ることができます。
ヒステリシス曲線で囲まれた領域は、材料を磁化する-消磁するために必要なエネルギーの尺度です。図は、2つの異なる材料の2つのヒステリシス曲線を示しています。左側は磁気的に柔らかく、右側は硬めです。
軟らかい強磁性材料は、保磁力H cが小さく、ヒステリシス曲線が高く狭くなっています。変圧器のコアに配置する適切な材料です。それらの例は、軟鉄およびシリコン鉄および鉄ニッケル合金であり、通信機器に有用です。
一方、磁気的に硬い材料は、永久磁石を構成するアルニコ合金（アルミニウムニッケルコバルト）や希土類合金の場合のように、一度磁化すると消磁することが困難です。
参考文献
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