磁性：材料の磁気特性、用途 - 物理的 - 2025

磁気又は磁気エネルギーは、力関連自然運動と特定の物質負荷に電気的引力又は反発力を生成することができます。磁石はよく知られている磁力の源です。

これらの内部には、磁場の存在に変換される相互作用があり、たとえば鉄やニッケルの小片に影響を及ぼします。

オーロラの美しい色は、地球の磁場によって偏向されるときにエネルギーを放出する宇宙粒子によるものです。出典：Pixabay。

鉄粉を敷き詰めた紙の下に磁石を置くと、磁石の磁場が見えてきます。ファイリングは、フィールド線に沿ってすぐに方向付けられ、フィールドの2次元画像を作成します。

別のよく知られたソースは、電流を運ぶワイヤーです。しかし、永久磁石とは異なり、電流が止まると磁性は消えます。

磁場がどこかで発生するときはいつでも、あるエージェントは仕事をしなければなりませんでした。このプロセスに投入されたエネルギーは、生成された磁場に保存され、磁気エネルギーと見なすことができます。

磁場にどれだけの磁気エネルギーが蓄積されるかの計算は、磁場と、デバイスの形状またはデバイスが作成された領域によって異なります。

インダクターやコイルはこれを行うのに適した場所であり、電気エネルギーがコンデンサーのプレート間に蓄えられるのとほとんど同じ方法で磁気エネルギーを作り出します。

歴史と発見

古いアプリ

古代ギリシャについてプリニーが語った伝説は、2000年以上前に鉄片を引き寄せることができる神秘的な鉱物を発見した羊飼いのマグネスについて語っています。磁気特性の強い酸化鉄であるマグネタイトでした。

磁気引力の理由は何百年もの間隠されていました。せいぜい、それは超自然的な出来事が原因でした。このためではありませんが、コンパスなどの興味深いアプリケーションが見つかりました。

中国人によって発明されたコンパスは、ナビゲーション中にユーザーを案内するために地球自身の磁気を利用しています。

最初の科学的研究

ウィリアムギルバート（1544-1603）のおかげで、磁気現象の研究は大きく進歩しました。このエリザベス朝時代の英国の科学者は、球形磁石の磁場を研究し、地球には独自の磁場が必要であると結論付けました。

磁石に関する彼の研究から、彼は別の磁極を得ることができないことにも気づきました。磁石が2つに分割されている場合、新しい磁石にも両方の極があります。

しかし、科学者が電流と磁性の関係の存在に気付いたのは、19世紀の初めでした。

デンマークで生まれたハンスクリスチャンエルステッド（1777-1851）は、1820年に導体に電流を流し、これがコンパスに及ぼす影響を観察するという考えを持っていました。コンパスは逸脱し、電流が流れなくなると、コンパスは通常どおり再び北を指します。

この現象は、スターターが作動しているときに、車のバッテリーから出ているケーブルの1つにコンパスを近づけることによって確認できます。

自動車のバッテリーはコンパスが外れるほど十分に高い電流を供給することができるため、回路を閉じる瞬間に針は観察可能な偏向を経験するはずです。

このようにして、移動電荷が磁気を生じさせるものであることが明らかになりました。

現代の調査

エルステッドの実験から数年後、イギリスの研究者マイケルファラデー（1791-1867）は、変化する磁場が電流を発生させることを発見し、別のマイルストーンをマークしました。

電気的および磁気的の両方の現象は互いに密接に関連しており、それぞれがお互いを引き起こします。彼らはファラデーの弟子であるジェームズクラークマクスウェル（1831-1879）によって、彼の名を冠した方程式に集められました。

これらの方程式は電磁理論を含み、要約しており、相対論的物理学の中でも有効です。

材料の磁気特性

一部の材料が磁性を示す、または磁性を獲得しやすいのはなぜですか？磁場は電荷の移動によるものであることがわかっているため、磁石の内部には、磁気を発生させる不可視の電流が存在している必要があります。

すべての物質は原子核を周回する電子を含んでいます。電子は地球と比較することができます。地球は太陽の周りの並進運動とそれ自身の軸上の回転運動を持っています。

古典的な物理学では、類似した動きが電子に起因するとされていますが、類推は完全には正確ではありません。ただし、重要な点は、電子の両方の特性により、磁場を生成する小さなループのように動作することです。

原子の磁場に最も寄与するのは電子のスピンです。多くの電子を持つ原子では、それらは対になって反対のスピンでグループ化されます。したがって、それらの磁場は互いに相殺されます。これがほとんどの素材で起きていることです。

ただし、いくつかのミネラルや化合物には、不対電子があります。このように、正味の磁場はゼロではありません。これにより、磁気モーメント、すなわち大きさが電流と回路の面積の積であるベクトルが作成されます。

隣接する磁気モーメントは互いに相互作用し、磁区と呼ばれる領域を形成します。この領域では、多くのスピンが同じ方向に整列しています。結果として生じる磁場は非常に強いです。

強磁性、常磁性、反磁性

この特性を備えた材料は、強磁性体と呼ばれます。それらは少数です：鉄、ニッケル、コバルト、ガドリニウム、およびそれらのいくつかの合金。

周期表の残りの元素には、これらの非常に顕著な磁気効果がありません。それらは常磁性または反磁性のカテゴリに分類されます。

実際、反磁性はすべての材料の特性であり、外部磁場の存在下でわずかな反発力を経験します。ビスマスは最も顕著な反磁性を持つ要素です。

一方、常磁性は、強磁性よりも弱い磁気応答で構成されますが、同様に魅力的です。常磁性物質は、例えば、アルミニウム、空気、および針鉄鉱などのいくつかの酸化鉄です。

磁気エネルギーの使用

磁性は自然の基本的な力の一部です。人間もその一部であるので、それらは磁気現象の存在だけでなく、地球上の残りの生命に適応しています。たとえば、一部の動物は地球の磁場を使用して、地理的に向きを変えています。

実際、鳥の脳は、地磁気を知覚して使用できる一種の有機コンパスを備えているため、鳥は長い時間をかけて移動すると考えられています。

人間にはこのようなコンパスがありませんが、代わりに、他の動物界よりも多くの方法で環境を変更する能力があります。したがって、私たちの種のメンバーは、最初のギリシャの羊飼いが鉱石を発見した瞬間から、磁性を利用してその利点を生かしてきました。

磁気エネルギーのいくつかの応用

それ以来、磁気の多くのアプリケーションがあります。ここにいくつかあります：

-地球の地磁気を利用して地理的に方向を定める前述のコンパス。

-テレビ、コンピュータ、オシロスコープ用の古いスクリーン。磁場を生成するコイルを使用するブラウン管に基づいています。これらは、電子ビームを偏向させて画面上の特定の場所に衝突させ、画像を形成します。

-質量分析計。さまざまなタイプの分子の研究に使用され、生化学、犯罪学、人類学、歴史、その他の分野で多くの用途があります。それらは、電場と磁場を利用して、速度に依存する軌道で荷電粒子を偏向させます。

-電磁流体力学的推進力。磁力が海水の噴流（良導体）を後方に推進するため、ニュートンの第3法則により、車両またはボートは前方の衝撃を受けます。

-人体内部の画像を取得する非侵襲的な方法である磁気共鳴画像。基本的には、非常に強い磁場を使用して、前述のスピンの特性を持つ組織に存在する水素原子核（プロトン）の応答を分析します。

これらのアプリケーションはすでに確立されていますが、将来的には、磁気が熱誘導熱を生成する温熱技術を通じて、乳がんなどの病気と闘うこともできると考えられています。

アイデアは、流体マグネタイトを腫瘍に直接注入することです。磁気的に誘導された電流によって生成された熱のおかげで、鉄粒子は悪性細胞を破壊するのに十分に熱くなるでしょう。

長所と短所

特定のタイプのエネルギーの使用について考えるとき、それは、例えば、タービン、エレベータ、乗り物の動きなど、あるタイプの動きに変換する必要があります。または、電話、テレビ、ATMなどのデバイスをオンにする電気エネルギーに変換されること。

エネルギーは、さまざまな方法で変更できる複数の症状を伴う大きさです。小さな磁石のエネルギーを増幅して、それが数枚以上のコインを連続的に移動できるようにすることはできますか？

エネルギーを使用するには、エネルギーの範囲が広く、非常に豊富な供給源からのものでなければなりません。

一次および二次エネルギー

そのようなエネルギーは自然に見られ、そこから他のタイプが生み出されます。それらは一次エネルギーとして知られています：

- 太陽光エネルギー。

-原子力。

- 地熱エネルギー。

- 風力。

- バイオマスエネルギー。

-化石燃料と鉱物からのエネルギー。

これらから、電気や熱などの二次エネルギーが生み出されます。ここの磁気エネルギーはどこですか？

電気と磁気は2つの別個の現象ではありません。実際には、2つを合わせて電磁現象と呼ばれます。それらの1つが存在する限り、もう1つは存在します。

電気エネルギーがある場合、何らかの形で磁気エネルギーがあります。しかし、これは二次エネルギーであり、一次エネルギーの一部を事前に変換する必要があります。

一次および二次エネルギーの特性

いくつかの種類のエネルギーを使用することの利点または欠点は、多くの基準に従って確立されます。これらには、その生産がいかに簡単で安価であるか、そしてプロセスが環境と人々に悪影響を与えることができる程度も含まれます。

心に留めておくべき重要なことは、エネルギーが使用される前に何度も変換されるということです。

買い物リストを冷蔵庫のドアに固定する磁石を作るために、いくつの変化が起こったに違いありませんか？電気自動車をいくつ作るか？確かに。

そして、磁気または電磁エネルギーはどのくらいきれいですか？人間起源の電磁界への絶え間ない暴露が健康と環境問題を引き起こすと信じている人々がいます。

現在、これらの分野が健康と環境に及ぼす影響を研究することに特化した研究が数多くありますが、一流の国際機関によると、それらが有害であるという決定的な証拠はこれまでのところありません。

磁気エネルギーの例

磁気エネルギーを封じ込める役割を果たすデバイスは、インダクタとして知られています。銅線を十分な巻数で巻いたコイルで、電流を制限して急激に変化しないようにすることは多くの回路で役立ちます。

銅コイル。出典：Pixabay。

コイルの巻き線に電流を流すことにより、コイル内部に磁場が発生します。

電流が変化すると、磁力線も変化します。誘導のファラデーレンツの法則によれば、これらの変化により、反対のターンに電流が誘導されます。

電流が急激に増加または減少すると、コイルがそれに対抗するため、回路に保護効果を及ぼす可能性があります。

コイルの磁気エネルギー

磁気エネルギーは、コイルの巻数で区切られたボリューム内に作成された磁場に保存されます。これは、U _Bとして示され、以下に依存します。

-磁場の強度B。

-コイルAの断面積。

-コイルの長さl。

-真空の透磁率_μo。

次のように計算されます。

この方程式は、磁場が存在するすべての空間領域で有効です。この領域の体積V、その透磁率、および磁場の強度がわかっている場合、それがどれだけの磁気エネルギーを持っているかを計算することが可能です。

運動が解決されました

直径2.0 cm、長さ26 cmの空気で満たされたコイル内の磁場は0.70 Tです。この磁場にはどのくらいのエネルギーが蓄えられますか？

解決

数値は前の方程式に代入され、値を国際システムの単位に変換するように注意しています。

1. Giancoli、D。2006。物理学：アプリケーションの原則。第6版。プレンティスホール。606-607。
2. Wilson、JD2011。Physics12. Pearson。135-146。