磁化

古典電磁気学において、磁化とは磁性材料中の永久磁気双極子モーメントまたは誘導磁気双極子モーメントの密度を表すベクトル場である。したがって、物理学者や技術者は通常、磁化を単位体積あたりの磁気モーメントの量として定義する。 ^[1]これは擬似ベクトルM で表される。磁化は、静電気学において材料の電場に対する応答の尺度である電気分極と比較することができる。

磁化は、物質が加えられた磁場にどのように反応するか、また物質が磁場をどのように変化させるかを説明するもので、それらの相互作用から生じる力を計算するために使用できます。

磁化の原因となる磁気モーメントの起源は、原子内の電子の運動によって生じる微視的な電流、あるいは電子または原子核のスピンのいずれかです。正味の磁化は、物質が外部磁場に応答することによって生じます。

常磁性材料は磁場中で弱い誘導磁化を持ちますが、磁場が除去されると磁化は消失します。 強磁性材料とフェリ磁性材料は磁場中で強い磁化を持ち、外部磁場が存在しない状態でも磁化され、永久磁石となることがあります。磁化は材料内部で必ずしも均一ではなく、異なる点間で変化することがあります。

意味

磁化場またはM場は次の式に従って定義できます。 $${\displaystyle \mathbf {M} ={\frac {\mathrm {d} \mathbf {m} }{\mathrm {d} V}}}$$

ここで、 は基本磁気モーメント、は体積要素です。言い換えれば、M場は対象となる領域または多様体における磁気モーメントの分布です。これは、次の関係式によってよりよく説明されます。 ここで、mは通常の磁気モーメントであり、三重積分は体積上の積分を表します。これにより、M場は、同様の分極を持つ領域または多様体によって生成される 電気双極子モーメントpを決定するために使用される電気分極場、またはP場と完全に類似しています。 ここで、 は基本電気双極子モーメントです。 ${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {m} }$ ${\displaystyle \mathrm {d} V}$ $${\displaystyle \mathbf {m} =\iiint \mathbf {M} \,\mathrm {d} V}$$ $${\displaystyle \mathbf {P} ={\mathrm {d} \mathbf {p} \over \mathrm {d} V},\quad \mathbf {p} =\iiint \mathbf {P} \,\mathrm {d} V,}$$ ${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {p} }$

PとMを「単位体積あたりのモーメント」として定義することは広く採用されていますが、場合によっては曖昧さや矛盾が生じる可能性があります。^[1]

M磁場はSI単位でアンペア/メートル（A/m）で測定されます。^[2]

マクスウェル方程式では

磁場（B、H）、電場（E、D）、電荷密度（ρ）、電流密度（J ）の挙動はマクスウェル方程式によって記述されます。磁化の役割については以下で説明します。

B、H、Mの関係

磁化は補助磁場Hを次のように 定義する。

${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{0}(\mathbf {H+M} )}$ （SI）

${\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {H} +4\pi \mathbf {M} }$ （ガウス分布）

これは様々な計算に便利です。真空透磁率 μ ₀は、近似的に、4π × 10 ⁻⁷  V・s /( A・m )。

多くの物質において、 MとHの間には関係が存在します。反磁性体と常磁性体では、この関係は通常線形です。

${\displaystyle \mathbf {M} =\chi \mathbf {H} ,\,\mathbf {B} =\mu \mathbf {H} =\mu _{0}(1+\chi )\mathbf {H} ,}$

ここで、χは体積磁化率、μは物質の透磁率と呼ばれます。磁場中における常磁性体（または反磁性体）の 単位体積あたりの磁気ポテンシャルエネルギー（すなわち磁気エネルギー密度）は、以下の式で表されます。

${\displaystyle -\mathbf {M} \cdot \mathbf {B} =-\chi \mathbf {H} \cdot \mathbf {B} =-{\frac {\chi }{1+\chi }}{\frac {\mathbf {B} ^{2}}{\mu _{0}}},}$

その負の勾配は、単位体積あたりの常磁性体（または反磁性体）に対する 磁力（つまり、力の密度）です。

反磁性体（）と常磁性体（）では、通常はであり、したがって です。 ${\displaystyle \chi <0}$ ${\displaystyle \chi >0}$ ${\displaystyle |\chi |\ll 1}$ ${\displaystyle \mathbf {M} \approx \chi {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}}$

強磁性体では、磁気ヒステリシスのため、MとHの間に 1 対 1 の対応はありません。

磁気分極

磁化の代わりに、磁気分極Iを定義することもできる（記号Jがよく使われるが、電流密度と混同しないように注意）。^[3]

${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {H} +\mathbf {I} }$ （SI）。

これは電気分極と直接類似しています。したがって、磁気分極は磁化とは係数μ ₀だけ異なります。 ${\displaystyle \mathbf {D} =\varepsilon _{0}\mathbf {E} +\mathbf {P} }$

${\displaystyle \mathbf {I} =\mu _{0}\mathbf {M} }$ （SI）。

磁化はアンペア/メートルの単位で表されますが、磁気分極はテスラの単位で表されます。

磁化電流

磁化によって誘導される微視的電流 (黒い矢印) がバランスを崩すと、媒体内に束縛体積電流 (青い矢印) と束縛表面電流 (赤い矢印) が発生します。

磁化Mは電流密度 Jに寄与し、磁化電流として知られる。^[4]

${\displaystyle \mathbf {J} _{\mathrm {m} }=\nabla \times \mathbf {M} }$

表面電流については次のようになります。

${\displaystyle \mathbf {K} _{\mathrm {m} }=\mathbf {M} \times \mathbf {\hat {n}} }$

したがって、マクスウェル方程式に入る全電流密度は次のように与えられる。

${\displaystyle \mathbf {J} =\mathbf {J} _{\mathrm {f} }+\nabla \times \mathbf {M} +{\frac {\partial \mathbf {P} }{\partial t}}}$

ここで、J _fは自由電荷の電流密度（自由電流とも呼ばれる）、2 番目の項は磁化からの寄与、最後の項は電気分極 Pに関連しています。

静磁気学

自由電流と時間依存効果がない場合、磁気量を記述する マクスウェル方程式は次のように簡約される。

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {\nabla \times H} &=\mathbf {0} \\\mathbf {\nabla \cdot H} &=-\nabla \cdot \mathbf {M} \end{aligned}}}$

これらの方程式は、静電気の問題 と同様に解くことができ、

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {\nabla \times E} &=\mathbf {0} \\\mathbf {\nabla \cdot E} &={\frac {\rho }{\epsilon _{0}}}\end{aligned}}}$

この意味で、−∇⋅ Mは電荷密度 ρに類似した架空の「磁気電荷密度」の役割を果たします（消磁場も参照）。

ダイナミクス

ナノスケールおよびナノ秒スケールの磁化を考える場合、磁化の時間依存挙動が重要になります。物質内の個々の磁気モーメントは、印加磁場に単純に沿うのではなく、印加磁場の周りを歳差運動し始め、エネルギーが格子に伝達されるにつれて緩和することで、磁化に沿うように整列していきます。

逆転

磁化反転（スイッチングとも呼ばれる）とは、磁化ベクトルを最初の方向に対して180°（円弧）回転させ、ある安定した方向から反対の方向へと方向転換させるプロセスを指します。技術的には、これは現代のハードディスクドライブに使用されているような磁気データ記憶プロセスに関連する、磁気における最も重要なプロセスの一つです。^[5]現在知られているように、金属磁石の磁化を反転させる方法はごくわずかです。

1. 印加磁場^[5]
2. スピンを持つ粒子ビームによるスピン注入^[5]
3. 円偏光による磁化反転；^{[6]すなわち、}円偏光した入射電磁波

消磁

消磁とは、磁化の減少または消失を指します。^[7]消磁を行う一つの方法は、物体をキュリー温度以上に加熱することです。この温度では、熱揺らぎが強磁性秩序の源である交換相互作用を克服するのに十分なエネルギーを持つため、その秩序が破壊されます。もう一つの方法は、交流電流を流した電気コイルから物体を引き抜き、磁化に反対する磁場を発生させることです。^[8]

消磁の応用例の一つは、不要な磁場を除去することです。例えば、磁場は携帯電話やコンピューターなどの電子機器に干渉したり、切削片を母材に付着させて機械加工に悪影響を与える可能性があります。^[8]

3つ目の、より最近発見された方法は、強力なフェムト秒レーザーパルスを用いた超高速消磁です。^[9]キュリー温度を超える加熱とは異なり、このプロセスは非常に高速（ピコ秒未満で発生）であり、非平衡プロセスと考えられています。レーザーパルスは材料の電子に直接エネルギーを付与します。このエネルギーはその後、電子-マグノン散乱などのメカニズムを通じてスピン系に急速に伝達され、材料の格子が著しく加熱されるよりもずっと前に磁気秩序が崩壊します。この現象は、将来の高速磁気データストレージやスピントロニクスデバイスの開発における重要な研究分野です。

参照

• 磁力計
• 軌道磁化

参考文献

1. CA Gonano; RE Zich; M. Mussetta (2015). 「分極Pと磁化Mの定義はマクスウェル方程式と完全に一致する」(PDF) . Progress in Electromagnetics Research B. 64 : 83–101 . doi : 10.2528 /PIERB15100606 . 2020年10月17日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2016年2月12日閲覧。
2. 「磁気特性の単位」（PDF） Lake Shore Cryotronics, Inc. 2019年1月26日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2015年6月10日閲覧。
3. フランシス・ブリッグス・シルズビー (1962). 「電気単位系」米国商務省国立標準局.
4. A. Herczynski (2013). 「束縛電荷と電流」(PDF) . American Journal of Physics . 81 (3): 202– 205. Bibcode :2013AmJPh..81..202H. doi :10.1119/1.4773441. オリジナル(PDF)から2020年9月20日にアーカイブ。 2016年2月12日閲覧。
5. Stohr, J.; Siegmann, HC (2006),磁性：基礎からナノスケールダイナミクスまで、Springer-Verlag、Bibcode：2006mffn.book.....S
6. Stanciu, CD; et al. (2007), Physical Review Letters , vol. 99, p. 217204, doi :10.1103/PhysRevLett.99.217204, hdl : 2066/36522 , PMID  18233247, S2CID  6787518
7. “Magnetic Component Engineering”. Magnetic Component Engineering. 2010年12月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年4月18日閲覧。
8. 「消磁」。磁粉探傷検査入門。NDTリソースセンター。2014年2月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年4月18日閲覧。
9. Beaurepaire, E.; Merle, J.-C.; Daunois, A.; Bigot, J.-Y. (1996-05-27). 「強磁性ニッケルにおける超高速スピンダイナミクス」 . Physical Review Letters . 76 (22): 4250– 4253. doi :10.1103/PhysRevLett.76.4250.