磁性体が磁気を理解するうえで重要なのは、同じ磁場の中に置かれても、物質によって磁化の向きや強さ、磁場を取り除いた後の状態が大きく異なるからです。鉄のように磁石へ強く引きつけられる物質もあれば、アルミニウムのようにごく弱く引きつけられる物質、銅や水のようにごく弱く反発する物質もあります。
こうした違いを調べることで、磁石がなぜ鉄を引きつけるのか、永久磁石はなぜ磁力を保てるのか、電磁石の鉄心を入れるとなぜ磁場が強くなるのかといった現象を、物質内部の磁気モーメントや磁区の振る舞いから説明できます。
さらに磁性材料は、モーター、発電機、変圧器、磁気センサー、データ記録、スピーカーなど多くの技術を支えています。磁性体を理解することは、磁気を「磁石だけの性質」としてではなく、物質が磁場へどう応答するかという広い視点で捉えるための基礎になります。
磁性体とは磁場に応答する物質
物質を磁場の中に置くと、内部の電子や原子が持つ磁気モーメントが外部磁場の影響を受けます。その応答の仕方によって、物質は強磁性体、常磁性体、反磁性体などに分類されます。
OpenStaxでは、外部磁場に対する磁気双極子の応答をもとに、物質を常磁性・反磁性・強磁性に分類しています。常磁性体では磁気モーメントが外部磁場の方向へわずかにそろい、反磁性体では外部磁場と反対向きの磁気モーメントが誘起されます。強磁性体では磁気モーメントが集団的に強くそろうため、はるかに大きな磁化が生じます。
広い意味では、ほとんどすべての物質が何らかの磁気的応答を示します。ただし日常生活で「磁性体」と言うと、鉄のように磁石へ強く反応する材料を指して使われることもあります。物理学では反応の種類を区別して考えることが重要です。
強磁性体はなぜ磁石に強く反応するのか
鉄、コバルト、ニッケルなどの強磁性体では、原子レベルの磁気モーメントが互いに強く影響し合い、同じ向きにそろった領域を作ります。この領域を磁区と呼びます。
東邦大学の解説では、強磁性体の内部には磁気モーメントが自発的に整列した磁区が存在し、磁区ごとの向きが異なることで物体全体の磁化が小さくなる場合があると説明されています。
外部から磁場を加えると、磁場と同じ向きの磁区が広がったり、磁気モーメントの向きが変化したりします。その結果、物体全体の磁化が大きくなり、磁石へ強く引きつけられたり、自身が磁石のように振る舞ったりします。
磁石が鉄を強く引くのは、鉄が単に「金属だから」ではありません。鉄が強磁性体であり、外部磁場に対して非常に大きく磁化される性質を持つことが重要です。
磁区があると永久磁石と普通の鉄の違いを説明できる
強磁性体の内部に磁区があるなら、鉄は最初からすべて永久磁石になっているようにも思えます。しかし、磁区ごとの向きがばらばらなら、それぞれの磁化が互いに打ち消し合い、物体全体として外へ強い磁場を出さない状態になります。
強い磁場を加えると、磁場に沿った磁区が広がり、全体の磁化が増えます。磁場を取り除いた後も磁区の配列が十分に残れば、その物体は永久磁石として振る舞います。
東邦大学は、強磁性体へ磁石を近づけたり磁場を加えたりすると磁区構造が変化し、外部磁場を取り除いた後も磁化が一部残ることがあると説明しています。この残留磁化が、永久磁石の性質を理解する手がかりになります。
つまり、普通の鉄と永久磁石はまったく別の原理で磁気を持つのではありません。どちらも強磁性体ですが、内部の磁区がどのような状態にあるかが異なります。
常磁性体はなぜ弱く引きつけられるのか
常磁性体では、原子や分子が磁気モーメントを持っていますが、外部磁場がないときには熱運動などによって向きがばらばらになっています。
磁場を加えると、その一部が磁場方向へそろうため、物質全体として外部磁場と同じ向きの弱い磁化が生じます。その結果、磁場の強い方向へわずかに引きつけられます。
アルミニウムや酸素などは常磁性の例です。しかしその効果は鉄の強磁性に比べて非常に弱いため、普通の磁石を近づけても手で吸引を感じにくいことがあります。
常磁性を理解すると、「磁石に付かない物質には磁気的性質がない」という誤解を避けられます。反応が小さいだけで、外部磁場に対する磁化は存在します。
反磁性体はなぜ磁場を弱く避けるのか
反磁性体では、外部磁場を加えると、その磁場と反対向きの磁気モーメントが誘起されます。そのため物質は磁場の強い場所から弱い場所へ移る向きの、ごく弱い力を受けます。
OpenStaxは、銅、水、ビスマスなどを反磁性の例として挙げ、外部磁場と反対向きの磁化が生じると説明しています。
日常的な磁石では反磁性の力は非常に小さいため、銅や水が磁石から押し返される様子を簡単には感じられません。しかし非常に強い磁場を使えば、反磁性を利用して小さな物体を浮かせる実験もできます。
この性質からも、磁石への反応は「引きつけられるか、何も起こらないか」という二択ではないことがわかります。
磁化とは物質が磁気的な向きを持つこと
磁性体を理解するうえで中心となる量が磁化です。磁化は、物質内部の磁気モーメントがどの程度そろい、単位体積あたりにどれだけ磁気的な向きが生じているかを表す量です。
強磁性体では磁化が非常に大きくなり得ます。常磁性体では外部磁場と同じ向きの小さな磁化が生じ、反磁性体では反対向きの小さな磁化が生じます。
磁化という共通の考え方を使うと、異なる種類の物質を「磁石に付く・付かない」だけでなく、磁場へどの向きに、どの程度応答するかという形で比較できます。
磁性体の記事と磁化の記事は密接に関係しますが、磁性体は「どのような物質が、どんな応答を示すか」を中心にし、磁化は「物質内部の磁気的な状態をどの量で表すか」を中心に考えると整理しやすくなります。
ヒステリシスがあると磁化の履歴が残る
強磁性体では、現在加えられている磁場だけで磁化が一意に決まらない場合があります。いったん強い磁場で磁化した後、磁場を弱めても磁化が残るからです。
外部磁場を正方向から負方向へ変化させながら磁化を測ると、往路と復路で異なる曲線を描きます。この現象をヒステリシスと呼びます。
OpenStaxは、強磁性体の特徴としてヒステリシスを挙げ、磁場を取り除いた後にも磁化が残ることを説明しています。残留磁化が大きく、磁化を反転させるのに強い逆磁場が必要な材料は永久磁石に向きます。
一方、変圧器やモーターの鉄心では磁化の向きを何度も変えるため、ヒステリシスによるエネルギー損失が小さい材料が求められます。同じ「磁性体」でも用途に応じて必要な性質は逆になることがあります。
軟磁性材料と硬磁性材料は何が違うのか
強磁性材料は、磁化のしやすさや残りやすさによって、軟磁性材料と硬磁性材料に大きく分けて考えることができます。
軟磁性材料は比較的弱い磁場で磁化方向を変えやすく、磁場を取り除くと磁化が小さくなりやすい材料です。変圧器、インダクター、モーターの鉄心など、磁化を何度も切り替える用途で重要です。
NIMSは2025年、次世代トランスや電気自動車の電源回路などを想定し、高周波での電力損失を大幅に低減する鉄系軟磁性材料の研究成果を発表しています。磁区構造や磁化過程を制御することが、省エネルギー性能へ直結する例です。
硬磁性材料は磁化を反転させにくく、外部磁場を取り除いた後も強い磁化を保ちやすい材料です。永久磁石にはこの性質が必要です。モーターや発電機では、強力な永久磁石としてネオジム磁石などが利用されています。
磁性材料はモーターや発電機でなぜ重要なのか
モーターや発電機では、磁場を効率よく作り、必要な場所へ集中させることが重要です。鉄心などの軟磁性材料を使うと、コイルだけの場合より磁束を通しやすくなり、装置を小型・高性能にしやすくなります。
永久磁石型モーターでは、硬磁性材料が強い磁場を維持します。一方、鉄心には磁化方向を繰り返し変えやすく、損失の小さい軟磁性材料が使われます。
同じ装置の中でも、永久磁石には「磁化を保つ材料」、鉄心には「磁化を変えやすい材料」という異なる性質が求められます。磁性体の種類を理解することは、なぜ一つの機器に複数の磁性材料が使い分けられているのかを理解することにつながります。
変圧器では磁性体が磁束の通り道を作る
変圧器では、一次側のコイルに交流を流して時間変化する磁場を作り、その磁束を二次側のコイルへ結びつけます。このとき鉄心などの軟磁性材料を使うと、磁束を内部へ集中させやすくなります。
しかし交流では磁化の向きが何度も反転します。そのためヒステリシス損失や、材料内部に生じる渦電流による損失を小さくする必要があります。
NIMSの磁性材料研究では、永久磁石だけでなく軟磁性材料や機能性磁性デバイスも重要な研究対象とされています。磁性材料の性能を改善することは、電力変換機器の効率向上や省エネルギー化につながります。
磁性体は情報を記録する材料にもなる
磁性体の用途は力を生み出す装置だけではありません。磁化の向きを情報として利用すれば、データを記録できます。
東邦大学は、磁区の向きを人工的に制御することで情報を記録でき、磁気記録媒体では磁化方向を0と1に対応させてデータを保存する考え方を説明しています。
磁気記録では、情報を書き込むときには磁化を確実に切り替えられ、保存時には熱や外乱で簡単に向きが変わらないことが必要です。記録密度を高めるほど一つの記録単位が小さくなるため、磁性材料の安定性や読み書き方法が重要になります。
NIMSでも磁気ストレージやスピントロニクス、磁気センサーなどを対象に磁性材料の研究が進められています。磁性体は、力やエネルギーだけでなく情報を扱う材料でもあります。
磁気センサーでは磁性体の変化を信号として読む
磁気センサーは、磁場の変化を電気信号へ変換する装置です。磁性材料の電気抵抗が磁化方向によって変化する現象などを利用すれば、非常に小さな磁場変化を検出できます。
こうしたセンサーは、位置検出、回転検出、電子コンパス、電流計測、自動車制御などに使われています。磁場を測るという目的は同じでも、利用する材料や物理現象によって感度や動作範囲が異なります。
NIMSの磁気機能デバイス研究では、磁気センサーやスピントロニクス材料、熱電材料など幅広い機能性磁性材料が研究されています。磁性体は単に磁石へ付く材料ではなく、磁場を情報へ変換する機能材料としても重要です。
温度が変わると磁性も変化する
磁性は材料固有の固定された性質ではなく、温度によって変化します。強磁性体では温度が上がるほど熱運動が磁気モーメントの整列を乱しやすくなります。
ある温度を超えると、強磁性体は自発的な強磁性秩序を保てなくなり、常磁性的な状態へ変わります。この境界の温度をキュリー温度と呼びます。
OpenStaxは、強磁性の秩序が熱運動によって崩れる温度としてキュリー温度を説明しています。鉄や永久磁石を高温環境で使う場合、温度上昇による磁化低下や不可逆な減磁を考える必要があります。
このためモーターや発電機、センサーなどの磁性材料は、磁気特性だけでなく使用温度まで含めて選ばれます。
磁性体を理解すると磁気を「物質の応答」として考えられる
磁性体を学ぶ意味は、磁石へ付く物質の名前を覚えることではありません。磁場が物質へ加わったとき、内部の電子や磁気モーメントがどう応答し、それが物体全体の磁化や力としてどう現れるかを理解することにあります。
強磁性体では磁区が形成され、大きな磁化や残留磁化が生じます。常磁性体は磁場と同じ向きに弱く磁化され、反磁性体は反対向きに弱く磁化されます。こうした違いを知ることで、鉄が磁石へ強く引かれる一方、銅やアルミニウムが同じようには振る舞わない理由を説明できます。
さらに材料の磁化しやすさや磁化の残りやすさを制御すれば、永久磁石、鉄心、記録媒体、センサーなど異なる機能を作り分けられます。磁性体が重要なのは、磁気という現象を物質の内部構造と結びつけ、基礎物理から電力機器・情報機器まで一つの考え方でつなげられるからです。
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参考資料
- 東邦大学「磁石と磁区のはなし その1」
- 物質・材料研究機構（NIMS）「磁気機能デバイスグループ 研究概要」
- 物質・材料研究機構（NIMS）「電力ロスを大幅に低減！革新的な鉄系磁性材料を開発」
- OpenStax University Physics Volume 2「Magnetism in Matter」
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