同じ外部磁場の中でも、置かれた物質によって磁力線の分布が変わるのは、物質自身が外部磁場に応答して磁化され、その磁化が新たな磁場を作るからです。実際に観測される磁場は、外部から加えた磁場だけではなく、物質が作った磁場を重ね合わせた合成磁場です。
強磁性体では外部磁場と同じ向きに大きく磁化されるため、磁束が物質内部へ強く集中しやすくなります。常磁性体でも同じ向きに磁化されますが、その効果は一般に小さく、磁力線の変化もわずかです。反磁性体では外部磁場と逆向きの磁化が誘起されるため、磁場をわずかに弱め、磁力線を避けるような分布になります。
つまり磁力線の分布は「外部磁石が最初に作った形」で固定されているわけではありません。周囲の物質の磁化率、透磁率、形状、温度、磁場の強さなどによって、磁場全体の形が変化します。
磁力線は磁場の向きと強さを表す図
磁力線は、磁場の向きと強さを視覚化するためのモデルです。線上の各点では接線方向が磁場の向きを示し、線が密な場所ほど磁場が強いと考えます。
OpenStaxは、磁力線の向きが各点の磁場方向と一致し、線密度が磁場の強さに対応すると説明しています。磁力線そのものが物質中に実在する糸ではありません。
そのため、物質を置いて磁場が変化すれば、磁力線の描き方も変わります。磁力線の分布変化とは、物質を入れた結果として合成磁場の方向と強さが変化したことを図で表したものです。
外部磁場だけなら分布は物質に左右されない
たとえば空芯のソレノイドや永久磁石だけを考えると、それらが作る外部磁場には一定の分布があります。
しかしその空間に物質を入れると、物質内部の電子や磁気モーメントが外部磁場へ応答します。すると物質自身が追加の磁場を作り、最初の外部磁場へ重なります。
このため、同じコイル電流や同じ永久磁石を使っていても、内部が空気なのか鉄なのか、別の磁性体なのかによって最終的な磁場分布は変わります。
物質が磁場へ応答することを磁化という
金沢工業大学は、物質が外部磁場の影響を受けて磁石の性質を帯びることを磁化と説明しています。
物質の中には電子に由来する磁気モーメントがあります。外部磁場を加えると、その向きが変化したり、新たな磁気モーメントが誘起されたりして、物質全体として磁気的な応答が現れます。
この磁化が外部磁場へ加わることで、物質内部と周囲の磁場が変わります。磁力線分布の違いを理解するには、物質の磁化方向と磁化の強さを見ることが重要です。
常磁性体は外部磁場と同じ向きに弱く磁化される
常磁性体では、外部磁場がないときは磁気モーメントの向きが熱運動などによってばらばらになり、全体として大きな磁化を持ちません。
外部磁場を加えると、一部の磁気モーメントが磁場方向へそろい、物質は外部磁場と同じ向きに弱く磁化されます。
OpenStaxは、常磁性体では磁気双極子の一部が外部磁場方向へ整列し、その結果として物質自身の磁場が外部磁場をわずかに強めると説明しています。
そのため常磁性体を置くと、空気だけの場合より磁力線が物質内部へ少し集まるような分布になります。ただし効果は一般に小さいため、強磁性体ほど劇的な変化にはなりません。
強磁性体では磁力線が大きく集中する
鉄、コバルト、ニッケルなどの強磁性体では、磁気モーメントが強く協調してそろった磁区が存在します。
外部磁場を加えると、磁場方向に近い磁区が成長し、磁気モーメントも外部磁場へそろっていきます。その結果、物質全体として大きな磁化が生じます。
OpenStaxは、強磁性体では磁区の整列によって、常磁性体よりはるかに大きな磁化が現れると説明しています。
そのため鉄心などを磁場の中へ入れると、磁束が鉄心内部へ集中し、磁力線も鉄心の中を通るように密になります。
なぜ鉄の中へ磁束が集まりやすいのか
磁性体が磁場をどれだけ通しやすいかを表す量として透磁率があります。一般に強磁性体は、空気や真空より大きな透磁率を示します。
磁気回路の考え方では、高透磁率材料は磁束にとって磁気抵抗の小さい経路として扱えます。そのため磁束は周囲の空気より鉄心側へ集中しやすくなります。
ただし透磁率は一定ではありません。強磁性体では外部磁場の強さや磁化履歴によって変化し、飽和へ近づくと磁化の増え方は小さくなります。
反磁性体では磁場と逆向きの磁化が生じる
反磁性体では、外部磁場を加えると、その変化を弱める向きの磁気モーメントが誘起されます。
OpenStaxは、反磁性体では誘起された磁気双極子が外部磁場と反対方向を向き、物質自身の磁場が外部磁場をわずかに弱めると説明しています。
金沢工業大学の教材でも、反磁性体は外部磁場と逆向きに弱く磁化される物質として整理されています。
そのため反磁性体を磁場中へ置くと、磁力線は物質内部をわずかに避けるような分布になります。
水や銅でも磁力線の分布はわずかに変わる
水や銅は代表的な反磁性体です。日常的な磁石ではその効果が非常に小さいため、磁石に強く反発するようには見えません。
しかし十分に強く不均一な磁場を使うと、反磁性体は強い磁場領域から弱い磁場領域へ押し出される方向の力を受けます。
つまり磁力線分布への影響が小さいからといって、磁気的な応答がゼロという意味ではありません。多くの物質は程度の差こそあれ磁場へ応答します。
強磁性・常磁性・反磁性の違いは磁化率で表せる
物質が外部磁場に対してどの向きへどれだけ磁化されるかを表す量として磁化率があります。
常磁性体では磁化率は小さな正の値、反磁性体では小さな負の値になります。強磁性体では応答が非常に大きく、さらに磁場の強さや履歴によって非線形に変化します。
OpenStaxは、常磁性体・反磁性体・強磁性体を外部磁場への応答と磁化率によって分類しています。
磁化率の符号と大きさが違うため、同じ外部磁場を加えても物質が作る追加磁場が異なり、結果として磁力線分布も異なります。
磁力線が鉄へ「吸い込まれる」ように見えるのはなぜか
鉄片を磁場中へ置いた図では、磁力線が鉄へ吸い込まれるように描かれることがあります。
これは鉄が磁力線を物質として吸収しているという意味ではありません。鉄が外部磁場と同じ向きに強く磁化され、その磁化が作る磁場を外部磁場へ重ねると、鉄内部の磁束密度が高くなるためです。
磁力線はその高い磁束密度を、線を密に描くことで表現しています。
鉄の形によって磁力線の集中の仕方も変わる
同じ材料でも、棒状、板状、リング状など形が違えば磁場分布は変わります。
強磁性体の内部では、物体表面に磁極が現れることで反磁場が生じます。この反磁場の大きさは形状に依存します。
東邦大学は、磁区構造が反磁場によるエネルギーや磁壁エネルギーなどのバランスによって決まると説明しています。
細長い棒では長手方向へ磁化しやすく、薄い板では面内方向へ磁化しやすいなど、形状によって磁力線の集中方向も変わります。
同じ鉄でも磁化履歴によって磁力線分布が変わる
強磁性体にはヒステリシスがあります。そのため、同じ外部磁場を加えても、過去にどのような磁場を受けたかによって磁化状態が異なる場合があります。
一度強く磁化した鉄では、外部磁場を弱めても残留磁化が残ることがあります。そのため未磁化に近い鉄と、すでに磁化された鉄では、同じ外部磁場の中でも磁力線分布が完全には同じになりません。
OpenStaxは、強磁性体の磁場応答が磁気履歴に依存し、同じ外部磁場でも内部磁場が異なることをヒステリシスとして説明しています。
強磁性体では磁気飽和も分布を左右する
外部磁場を強くしていくと、強磁性体では磁区が外部磁場方向へそろい、やがて磁化は飽和へ近づきます。
飽和に近づくと、外部磁場をさらに強くしても物質自身の磁化はあまり増えません。そのため高透磁率材料がいつまでも同じ割合で磁束を集め続けるわけではありません。
強い磁場を扱う磁気回路や電磁石では、この飽和によって磁力線分布が弱磁場時とは異なる形になることがあります。
温度が変わると磁力線分布も変わりうる
物質の磁化は温度にも依存します。常磁性体では熱運動が磁気モーメントの整列を乱し、温度によって磁化しやすさが変わります。
強磁性体でも温度が上がると磁気秩序が弱くなり、キュリー温度を超えると強磁性を失います。
つまり同じ物質、同じ外部磁場でも、温度が違えば物質の磁化が変わり、合成磁場と磁力線分布も変化する可能性があります。
空気も完全に磁気的に無反応ではない
空気は日常的には真空とほぼ同じように扱われますが、磁気的な応答が完全にゼロというわけではありません。
OpenStaxの例では、空気は非常に小さい正の磁化率を持つ物質として扱われています。ただしその効果は極めて小さいため、通常の磁気回路では空気を真空に近い透磁率として近似できます。
したがって「空気と鉄で磁力線が大きく違う」主な理由は、両者の磁気応答の大きさが桁違いだからです。
境界では磁場の向きも曲がって見える
異なる磁気的性質を持つ物質の境界では、磁場の分布が変わるため、磁力線が曲がって見えることがあります。
高透磁率材料へ磁束が入りやすい場合、周囲の磁力線は材料内部へ向かって曲がり、材料内ではより密な分布になります。
逆に反磁性体では物質内部の磁場をわずかに弱める方向の応答があるため、磁力線はわずかに外側へ押し出されるような分布になります。
磁気シールドでは物質による分布変化を利用する
高透磁率材料を使った磁気シールドでは、外部磁場を材料内部へ誘導し、守りたい空間を避けるように磁束経路を変えます。
これはまさに、物質を置くことで磁力線分布が変化する性質の利用です。
シールド材の透磁率が高いほど磁束を引き込みやすくなりますが、形状、開口部、すき間、飽和などによって性能は変わります。
電磁石の鉄心でも同じ原理が使われる
ソレノイドの中へ鉄心を入れると、鉄心が磁化され、コイルの磁場と同じ向きの磁場を加えます。
その結果、空芯の場合より磁束が鉄心内部へ集中し、コイル外部の磁場分布も変わります。
この性質を利用して、リレー、電磁弁、モーター、変圧器などでは磁束を必要な経路へ導いています。
磁力線の分布は物質だけでなく条件の組み合わせで決まる
「鉄ならこの形」「水ならこの形」と一意に決まるわけではありません。実際の磁力線分布は、外部磁場の形、物質の磁化率や透磁率、形状、寸法、温度、磁化履歴、磁場の強さなどの組み合わせで決まります。
特に強磁性体では非線形性が大きいため、弱い磁場と強い磁場で同じ比例関係を使うことはできません。
複雑な磁気装置では、有限要素法などによる数値解析を使って、材料を含む三次元の磁場分布を計算します。
物質による磁力線の違いは「追加された磁場」を見れば理解できる
同じ外部磁場でも物質によって磁力線の分布が変わる本質は、物質が磁化されて、自分自身の磁場を作ることにあります。
常磁性体は外部磁場と同じ向きに弱く磁化され、磁場をわずかに強めます。反磁性体は逆向きに弱く磁化され、磁場をわずかに弱めます。強磁性体は磁区の変化によって大きく磁化され、磁束を内部へ強く集中させます。
観測される磁場は、外部磁場と物質の磁化が作る磁場の合成です。そのため同じ磁石や同じコイルを使っていても、周囲の物質が変われば磁力線の向きや密度も変わります。
磁力線の分布の違いは、物質が磁場にどう応答するかを目で読み取った結果なのです。
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参考資料
- 金沢工業大学「磁化」
- 東邦大学「磁石と磁区のはなし その1」
- 東京大学「環境磁気学のすすめ」
- OpenStax University Physics Volume 2「Magnetism in Matter」
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