常磁性：原因、常磁性物質、例 - 物理的

常磁性は、特定の材料が弱い外部磁場によって引き付けられ、印加磁界の方向に誘導される内部磁界を形成する磁気の形態です。

多くの人がよく考えることとは逆に、磁気特性は強磁性体だけに限定されません。より弱い方法でさえ、すべての物質は磁気特性を持っています。これらの物質は常磁性および反磁性と呼ばれます。

このようにして、常磁性と反磁性の2種類の物質を区別できます。磁場が存在する場合、常磁性磁場は磁場の強度がより大きいゾーンに引き寄せられます。代わりに、反磁性は、強度が最も低いフィールドの領域に引き付けられます。

磁場が存在する場合、常磁性材料は、磁石と同じ種類の引力と反発力を経験します。ただし、磁場が消えると、エントロピーによって誘導されていた磁気配列が終了します。

言い換えると、常磁性材料は永久的に磁化された材料にはならないが、磁場に引き寄せられる。常磁性物質の例としては、空気、マグネシウム、プラチナ、アルミニウム、チタン、タングステン、リチウムなどがあります。

原因

常磁性は、特定の材料が、磁場の存在下になくても、永久磁気モーメント（または双極子）を持つ原子と分子で構成されるという事実によるものです。

磁気モーメントは、常磁性の性質を持つ金属やその他の材料の不対電子のスピンによって引き起こされます。

純粋な常磁性では、双極子は互いに相互作用しませんが、熱撹拌の結果として外部磁場がない場合、ランダムに配向されます。これにより、ゼロの磁気モーメントが生成されます。

しかし、磁場が印加されると、双極子は印加された磁場と整列する傾向があり、その結果、その磁場の方向に正味の磁気モーメントが発生し、外部磁場の磁気モーメントに加算されます。

どちらの場合も、温度の影響により双極子の配列を打ち消すことができます。

このようにして、材料が加熱されると、熱撹拌は磁場が双極子に及ぼす影響を打ち消すことができ、磁気モーメントが無秩序に向きを変え、誘導磁場の強度を低下させます。

キュリーの法則は、1896年にフランスの物理学者ピエールキュリーによって実験的に開発されました。高温が存在し、常磁性物質が弱い磁場の存在下にある場合にのみ適用できます。

これは、磁気モーメントの大部分が整列している場合、常磁性を説明できないためです。

法則によれば、常磁性材料の磁化は、印加された磁場の強度に正比例します。これは、キュリーの法則として知られているものです。

M = X∙H = CH / T

上記の式で、Mは磁化、Hは印加された磁場の磁束密度、Tはケルビン単位で測定された温度、Cは各材料に固有の定数であり、キュリー定数と呼ばれます。

キュリーの法則を観察すると、磁化が温度に反比例することもわかります。このため、材料が加熱されると、双極子と磁気モーメントは、磁場の存在によって得られた配向を失う傾向があります。

常磁性材料とは、真空の透磁率に似た透磁率（物質が磁場を引き付けたり通過させる能力）を持つすべての材料です。このような材料は、ごくわずかなレベルの強磁性を示します。

物理的には、その比透磁率（材料または媒体の透磁率と真空の透磁率の間の商）は、真空の透磁率である約1に等しいと述べられています。

常磁性材料の中には、超常磁性と呼ばれる特定の種類の材料があります。これらはキュリーの法則に従いますが、これらの材料はかなり高い値のキュリー定数を持っています。

1845年9月、実際にはすべての物質（強磁性体だけでなく）が磁場の存在に反応することに気付いたのは、マイケルファラデーでした。

いずれにせよ、真実はほとんどの物質が反磁性特性を持っているということです。これは、対になった電子のペア、つまり反対のスピンを持つものが反磁性に弱いからです。逆に、不対電子が存在する場合にのみ反磁性が発生します。

常磁性材料と反磁性材料はどちらも磁場への感受性が弱いですが、前者の場合は正であるのに対し、後者の場合は負です。

反磁性材料は、磁場によってわずかに反発されます。一方、常磁性が誘引されますが、力もほとんどありません。どちらの場合も、磁場が取り除かれると、磁化の影響は消えます。

すでに述べたように、周期表を構成する元素の大部分は反磁性です。したがって、反磁性物質の例は、水、水素、ヘリウム、金です。

常磁性材料は、磁場がない場合の真空と同様の振る舞いをするため、産業でのそれらのアプリケーションは多少制限されます。

常磁性の最も興味深いアプリケーションの1つは、物理、化学、考古学で広く使用されている電子常磁性共鳴（RPE）です。それは不対電子を持つ種を検出することが可能な分光技術です。

この技術は、発酵、ポリマーの工業的製造、モーターオイルの摩耗、ビールの製造など、さまざまな分野で応用されています。同様に、この手法は遺跡の年代測定にも広く使用されています。