磁石

磁鉄鉱の岩が上部のネオジム磁石に引っ張られています。

磁石とは、磁場を発生させる物質または物体です。この磁場は目に見えませんが、磁石の最も顕著な特性、すなわち鉄、鋼、ニッケル、コバルトなどの強磁性体を引き寄せたり反発したりする力を生み出します。

永久磁石は、磁化されて独自の永続的な磁場を生成する材料でできた物体です。身近な例としては、冷蔵庫のドアにメモを留めておくために使われる冷蔵庫用マグネットがあります。磁化できる物質、つまり磁石に強く引きつけられる物質は、強磁性体（またはフェリ磁性体）と呼ばれます。これらには、鉄、ニッケル、コバルト元素とそれらの合金、希土類金属の合金、天然磁石などの一部の鉱物が含まれます。強磁性体（およびフェリ磁性体）物質は、一般に磁性があると見なされるほど強く磁石に引きつけられる唯一の物質ですが、他のすべての物質は、他のいくつかのタイプの磁性のいずれかによって、磁場に弱く反応します。

強磁性材料は、焼鈍鉄のような磁気的に「ソフト」な材料（磁化はできるものの磁化が持続しない）と、磁気的に「ハード」な材料（磁化が持続する）に分けられます。永久磁石は、アルニコやフェライトなどの「ハード」な強磁性材料から作られます。これらの材料は、製造時に強力な磁場中で特殊な処理を施すことで内部の微結晶構造を整列させ、非常に消磁しにくくなっています。飽和した磁石を消磁するには、一定の磁場を印加する必要があり、この閾値はそれぞれの材料の保磁力に依存します。「ハード」な材料は高い保磁力を持ち、「ソフト」な材料は低い保磁力を持ちます。磁石の全体的な強さは、磁気モーメント、あるいは磁石が生成する全磁束によって測定されます。材料内の局所的な磁気の強さは、磁化によって測定されます。

電磁石は、電流が流れると磁石として作用し、電流が止まると磁石として作用しなくなる導線コイルで作られています。多くの場合、コイルは軟鋼などの「柔らかい」強磁性材料の芯に巻き付けられ、コイルによって生成される磁場を大幅に増強します。

発見と開発

古代の人々は、天然に磁化された鉄鉱石である磁石（または磁鉄鉱）から磁気について学びました。磁石（magnet ）という言葉は、中英語のラテン語magnetum「磁石の石」から取り入れられ、最終的にはギリシャ語のμαγνῆτις [λίθος] ( magnetis [lithos] ) ^{[ 1 ]}「マグネシア産の（石） 」を意味し、^{[ 2 ]}アナトリア地方で磁石が発見された場所（現在のトルコのマニサ）に由来します。回転するように吊り下げられた磁石は、最初の磁気コンパスでした。磁石とその特性に関する現存する最も古い記述は、約2,500年前のアナトリア、インド、中国のものです。^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}磁石の特性と鉄との親和性は、西暦1世紀に大プリニウスが百科事典『博物誌』の中で述べています。 ^{[ 6 ]}

11世紀の中国では、赤熱した鉄を地球の磁場と同軸に置き、急冷すると永久磁化されることが発見されました。これが航海用コンパスの開発につながったと、1088年の『夢見潭随筆』に記されています。 ^{[ 7 ] [ 8 ]} 12世紀から13世紀にかけて、磁気コンパスは中国、ヨーロッパ、アラビア半島、その他の地域で航海に使用されました。^{[ 9 ]}

直鉄磁石は、自身の磁場によって磁化が減少する傾向があります。これを克服するために、1743年にダニエル・ベルヌーイは馬蹄形磁石を発明しました。 ^{[ 7 ] [ 10 ]}馬蹄形磁石は、磁力線を反対極に戻すことで磁化減少を防止します。^{[ 11 ]}

1820年、ハンス・クリスチャン・エルステッドは、近くの電流によって方位磁針が振れることを発見しました。同年、アンドレ＝マリー・アンペールは、鉄を通電ソレノイドに挿入することで磁化できることを示しました。^{[ 12 ]}この発見を受け、ウィリアム・スタージョンは1824年に鉄心電磁石を開発しました。 ^{[ 7 ]}ジョセフ・ヘンリーは1830年から1831年にかけてこの電磁石をさらに開発し、商業製品化しました。これにより、人々は初めて強力な磁場を利用できるようになりました。1831年には、750ポンド（340kg）を持ち上げることができる電磁石を備えた鉱石選鉱機を開発しました。^{[ 13 ]}

物理

磁場

棒磁石によって生成された磁場に配向された鉄粉

コンパスと鉄粉で磁場を検出する

磁束密度（磁場Bまたは単に磁場とも呼ばれ、通常はBと表記される）はベクトル場である。空間内の任意の点における 磁場Bベクトルは、以下の2つの性質によって規定される。

1. その方向は、コンパスの針の向きに沿ったものです。
2. その大きさ（強さとも呼ばれる）は、コンパスの針がその方向にどれだけ強く向いているかに比例します。

SI単位では、磁場Bの強さはテスラで表されます。^{[ 14 ]}

磁気モーメント

磁石の磁気モーメント（磁気双極子モーメントとも呼ばれ、通常はμと表記される）は、磁石の全体的な磁気特性を特徴付けるベクトルである。棒磁石の場合、磁気モーメントの方向は磁石のS極からN極へと向かい、 ^{[ 15 ]}大きさはこれらの極の強さと距離に関係する。SI単位では、磁気モーメントはA·m ²（アンペア×メートルの2乗） で表される。

磁石は自ら磁場を発生すると同時に、磁場に反応します。発生する磁場の強さは、任意の点において、磁石の磁気モーメントの大きさに比例します。さらに、磁石が別の発生源によって発生した外部磁場にさらされると、磁気モーメントを磁場と平行に向けようとするトルクが生じます。 ^{[ 16 ]}このトルクの大きさは、磁気モーメントと外部磁場の両方に比例します。磁石は、磁石と発生源の位置と向きに応じて、ある方向または別の方向に力を受けることもあります。磁場が空間的に均一な場合、磁石はトルクを受けるものの、実質的な力は受けません。^{[ 17 ]}

面積Aの円形で電流Iが流れているワイヤには、 IAに等しい大きさの磁気モーメントがあります。

磁化

磁化された物質の磁化は、単位体積あたりの磁気モーメントの局所的な値であり、通常Mで表され、単位はA / mです。^{[ 18 ]}磁石内の異なる領域は異なる方向と強度で磁化されるため（たとえば、ドメインのため、以下を参照）、これは単なるベクトル（磁気モーメントなど）ではなくベクトル場です。優れた棒磁石は、磁気モーメントの大きさが 0.1 A·m ²で体積が 1 cm ³（1×10 ⁻⁶  m ^{3 ）}であるため、平均磁化の大きさは 100,000 A/m です。鉄は 1 メートルあたり約 100 万アンペアの磁化を持つことができます。この大きな値により、鉄磁石が磁場を生成するのに非常に効果的である理由が説明されます。

磁石のモデリング

円筒棒磁石の磁場を正確に計算

磁石には磁極と原子流という 2 つの異なるモデルが存在します。

多くの用途において、磁石は明確なN極とS極を持つと考えるのが便利ですが、極の概念を文字通りに解釈すべきではありません。これは単に磁石の両端を指すための言い方です。磁石は、反対側に明確なN極またはS極を持つ粒子を持っているわけではありません。棒磁石をN極とS極を分離しようとして2つに割ると、それぞれN極とS極を持つ2つの棒磁石ができます。しかし、専門の磁気学者は永久磁石を設計する際に、磁極アプローチの一種を用いています。

このアプローチでは、磁石内部の磁化 ∇· Mの発散は、磁気単極子の分布として扱われます。これは数学的な便宜であり、磁石内に実際に単極子が存在することを意味するものではありません。磁極分布が既知であれば、極モデルは磁場Hを与えます。磁石の外側では、磁場BはHに比例しますが、磁石内部では磁化にHが加算される必要があります。この手法を拡張し、内部磁荷を考慮した方法は、強磁性理論で用いられています。

もう一つのモデルはアンペールモデルであり、このモデルでは、すべての磁化は、物質全体に広がる微視的または原子的な円形束縛電流（アンペリアン電流とも呼ばれる）の影響によるものである。均一に磁化された円筒形の棒磁石の場合、微視的束縛電流の正味の効果は、磁石が表面の周囲に円筒軸に垂直な方向の局所的な電流方向を持つ巨視的な電流シートが流れているかのように振舞うことである。 ^{[ 19 ]}物質内部の原子内の微視的電流は、一般に隣接する原子内の電流によって打ち消されるため、表面のみが正味の寄与を行う。磁石の外層を削っても磁場は破壊されず、物質全体に広がる円形電流による打ち消されない電流の表面が新たに残る。 ^{[ 20 ]}右手の法則は、正に帯電した電流がどの方向に流れるかを示す。しかし、実際には負に帯電した電気による電流の方がはるかに多く存在する。^{[ 21 ]}

極性

磁石のN極は、磁石が自由に吊り下げられているときに、北極にある地球の北磁極を指す極として定義されます（磁極と地理極は一致しません。磁気偏角を参照してください）。反対の極（北と南）は引き合うため、北磁極は実際には地球の磁場の南極です。 ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}実際には、磁石のどの極が北でどの極が南であるかを判断するために、地球の磁場を使用する必要はまったくありません。たとえば、1つの方法は、極が右手の法則で識別できる電磁石と比較することです。磁石の磁力線は、慣例により、磁石の北極から出て南極に戻ると考えられています。^{[ 25 ]}

磁性材料

磁石という用語は、通常、磁場が印加されていない状態でも自ら持続的な磁場を発生する物体を指します。このような現象は特定の種類の物質にのみ見られます。しかし、ほとんどの物質は印加磁場に反応して磁場を発生します。この現象は磁性と呼ばれます。磁性にはいくつかの種類があり、すべての物質は少なくともそのうちの1つを示します。

物質の全体的な磁気的挙動は、物質の構造、特に電子配置によって大きく異なります。様々な物質において、以下のような様々な形態の磁気的挙動が観測されています。

• 強磁性体とフェリ磁性体は、通常、磁性体と考えられている物質です。これらの物質は磁石に強く引き寄せられ、その引力を感じることができます。これらの物質だけが磁化を保持し、磁石になることができます。一般的な例としては、従来の冷蔵庫用マグネットが挙げられます。フェリ磁性体には、フェライトや、最も古くから利用され、自然界に存在する磁性体であるマグネタイトとロードストーンなどがあり、強磁性体に似ていますが、より弱い性質を持っています。強磁性体とフェリ磁性体の違いは、その微視的構造に関係しており、これは『磁性』で説明されています。
• 白金、アルミニウム、酸素などの常磁性物質は、磁石のどちらの極にも弱く引きつけられます。この引力は強磁性物質の何十万倍も弱いため、高感度機器や極めて強力な磁石を用いることでしか検出できません。磁性流体は、液体中に浮遊する微小な強磁性粒子で構成されていますが、磁化されないため、常磁性物質と見なされることがあります。
• 反磁性とは、両極から反発されることを意味します。常磁性物質や強磁性物質と比較すると、炭素、銅、水、プラスチックなどの反磁性物質は、磁石による反発力がさらに弱くなります。反磁性体の透磁率は、真空の透磁率よりも低いです。他の種類の磁性をいずれも持たないすべての物質は反磁性であり、これにはほとんどの物質が含まれます。通常の磁石から反磁性物体に加わる力は、感じることができないほど弱すぎますが、非常に強力な超伝導磁石を使用することで、鉛片やネズミ^{[ 26 ]}などの反磁性物体を空中に浮かせることができます。超伝導体は内部から磁場を反発し、強い反磁性を示します。

磁性には、スピングラス、超常磁性、超反磁性、メタ磁性など、さまざまな種類があります。

形

永久磁石の形状は、その磁気特性に大きな影響を与えます。磁石が磁化されると、内部に反磁場が発生します。その名の通り、反磁場は磁石を消磁する働きをし、磁気特性を低下させます。反磁場の強さは、磁石の磁化と形状に比例し、次の式で表さ れます。${\displaystyle H_{d}}$ ${\displaystyle M}$

${\displaystyle H_{d}=-N_{d}M.}$

ここで、は反磁力係数と呼ばれ、磁石の形状によって値が異なります。例えば、磁石が球 の場合、 となります。 ${\displaystyle N_{d}}$ ${\displaystyle N_{d}={\frac {1}{3}}}$

減磁係数の値は、磁石の形状に対する磁化の方向によっても異なります。球体はあらゆる角度で対称形であるため、減磁係数は1つの値しか持ちません。しかし、長い円筒形の磁石は、その長さに平行に磁化されているか垂直に磁化されているかによって、2つの異なる減磁係数を持ちます。^{[ 16 ]}

一般的な用途

ハードディスクドライブは薄い磁性コーティング上にデータを記録する

重鉱物用磁気ハンドセパレーター

• 磁気記録媒体：VHSテープには磁気テープが巻かれています。映像と音声を構成する情報は、テープの磁気コーティングに符号化されています。一般的なオーディオカセットも磁気テープを使用しています。同様に、コンピューターでは、フロッピーディスクやハードディスクは薄い磁気コーティングにデータを記録します。^{[ 27 ]}
• クレジットカード、デビットカード、ATMカード：これらのカードはすべて片面に磁気ストライプが付いています。このストライプには、個人の金融機関に連絡して口座にアクセスするための情報が暗号化されています。^{[ 28 ]}
• 古いタイプのテレビ（フラットスクリーンではないもの）と古い大型コンピュータモニター：ブラウン管を搭載したテレビやコンピュータの画面では、電磁石を使って電子を画面に導きます。^{[ 29 ]}
• センサー：永久磁石は、動き、変位、位置などを検出するための磁気センサーを製造するための有用な部品です。^{[ 30 ]}
• スピーカーとマイク: ほとんどのスピーカーは永久磁石と電流を流すコイルを使って電気エネルギー (信号) を機械エネルギー (音を生み出す動き) に変換します。コイルはスピーカーのコーンに取り付けられたボビンに巻き付けられ、永久磁石の磁場と相互作用する変化する電流として信号を伝えます。ボイスコイルは磁力を感じ、それに反応してコーンを動かし、周囲の空気を加圧して音を生成します。ダイナミックマイクも同じ概念を採用していますが、仕組みは逆です。マイクには、コイル状の電線に振動板または膜が取り付けられています。コイルは特殊な形状の磁石の中にあります。音が膜を振動させると、コイルも振動します。コイルが磁場内を移動すると、コイルに電圧が発生します。この電圧によって電線に電流が流れ、それが元の音の特徴となります。
• エレキギターは、ギターの弦の振動を磁気ピックアップで電流に変換し、増幅します。これはスピーカーやダイナミックマイクの原理とは異なり、振動は磁石によって直接感知され、振動板は使用されません。ハモンドオルガンも同様の原理で、弦の代わりに回転するトーンホイールが使われていました。
• 電気モーターと発電機：一部の電気モーターは電磁石と永久磁石の組み合わせを利用しており、スピーカーと同様に電気エネルギーを機械エネルギーに変換します。発電機はその逆で、導体を磁場内で動かすことで機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。
• 医療：病院では、侵襲的な手術を行わずに患者の臓器の問題を発見するために磁気共鳴画像法を使用しています。
• 化学: 化学者は核磁気共鳴を利用して合成された化合物の特性を評価します。
• チャックは金属加工分野で物体を固定するために使用されます。磁石は、マグネットベース、マグネットクランプ、冷蔵庫用マグネットなど、他の種類の締結装置にも使用されます。
• コンパス: コンパス (または航海用コンパス) は、磁場 (最も一般的には地球の磁場)と自由に位置合わせできる磁化された指針です。
• アート：ビニールマグネットシートは、絵画、写真、その他の装飾品に貼り付けることができ、冷蔵庫などの金属面に貼り付けることもできます。マグネットシートに物や絵の具を直接塗布することで、コラージュアート作品を作成できます。金属製のマグネットボード、ストリップ、ドア、電子レンジ、食器洗い機、車、金属製のI型梁など、あらゆる金属面にマグネットビニールアートを施すことができます。
• 科学プロジェクト：多くのトピックの質問は磁石に基づいており、電流を流す電線の反発、温度の影響、磁石を含むモーターなどが含まれます。^{[ 31 ]}

磁石はおもちゃに様々な用途があります。M-ticは、金属球に接続された磁石棒を使って組み立てます。

• おもちゃ: 磁石は近距離で重力に対抗する能力があるため、マグネット スペース ホイールやレビトロンなどの子供のおもちゃによく使用され、面白い効果を生み出しています。
• 冷蔵庫用マグネットは、キッチンを飾ったり、記念品として使ったり、あるいは単にメモや写真を冷蔵庫のドアに貼り付けたりするのに使われます。
• 磁石はジュエリーを作るのに使えます。ネックレスやブレスレットには磁石の留め具が付いているものもあれば、磁石と鉄ビーズを繋ぎ合わせて作られたものもあります。
• 磁石は、小さすぎたり、届きにくかったり、指では掴めないほど細かすぎたりする磁性体（鉄釘、ホッチキス、画鋲、ペーパークリップなど）を拾うことができます。ドライバーの中には、この目的のために磁化されているものもあります。
• 磁石は、スクラップやサルベージ作業において、磁性金属（鉄、コバルト、ニッケル）と非磁性金属（アルミニウム、非鉄合金など）を選別するために用いられます。同様の考え方は、いわゆる「マグネットテスト」にも応用できます。これは、磁石を用いて自動車のシャシーを検査し、グラスファイバーやプラスチックパテで補修された箇所を検出するものです。
• 磁石は、プロセス産業、特に食品製造において、プロセスに入る材料（原材料）から金属異物を除去したり、プロセスの最終段階および包装前に汚染の可能性を検出したりするために使用されています。磁石は、プロセス装置と最終消費者にとって重要な保護層を構成します。^{[ 32 ]}
• 磁気浮上輸送（リニアモーターカー）は、電磁力によって車両（特に列車）を浮上・誘導・推進する輸送手段です。転がり抵抗を排除することで効率が向上します。リニアモーターカーの最高速度は時速581キロメートル（361マイル）です。
• 磁石は、ケーブル接続の安全装置として使用されることがあります。例えば、一部のノートパソコンの電源コードは、つまずいた際に誤ってポートを損傷するのを防ぐために磁石が使用されています。Apple MacBookのMagSafe電源接続はその一例です。

医療問題と安全性

人体の組織は静磁場に対する感受性が非常に低いため、静磁場への曝露に関連する健康影響を示す主流の科学的証拠はほとんどありません。しかし、動磁場の場合は状況が異なる可能性があります。人口統計学的相関関係に基づき、電磁放射線とがん発生率の間に相関関係があると仮定されています（「電磁放射線と健康」を参照）。

人体組織内に強磁性異物が存在する場合、外部磁場との相互作用により重大な安全リスクが生じる可能性がある。^{[ 33 ]}

磁気による間接的な健康リスクには、ペースメーカーに関連する別の種類があります。ペースメーカーが患者の胸部に埋め込まれている場合（通常は心臓の定常的な電気誘導拍動を監視および制御する目的で）、磁場から遠ざけるよう注意する必要があります。このため、ペースメーカーが埋め込まれている患者は、磁気共鳴画像装置を用いて検査することはできません。

子供はおもちゃに入っている小さな磁石を飲み込むことがありますが、2個以上の磁石を飲み込むと、磁石が内部の組織を挟んだり刺したりする可能性があるため、危険です。^{[ 34 ]}

磁気画像診断装置（例：MRI）は強力な磁場を発生するため、設置予定の部屋には鉄金属は設置できません。鉄金属製の物体（酸素ボンベなど）をそのような部屋に持ち込むと、強力な磁場によって激しく揺さぶられる可能性があり、重大な安全上のリスクが生じます。

強磁性体の磁化

強磁性材料は、次の方法で磁化できます。

• 物体をキュリー温度以上に加熱し、磁場中で冷却しながらハンマーで叩く。これは最も効果的な方法であり、永久磁石を製造する工業プロセスに似ています。
• 物体を外部磁場の中に置くと、取り除いた後も磁気の一部が保持されます。振動によってこの効果が増大することが分かっています。地球の磁場と同調し、振動を受ける鉄材料（例：コンベアのフレーム）は、大きな残留磁気を帯びることが分かっています。同様に、指で掴んだ鋼釘をハンマーで南北方向に叩くと、釘は一時的に磁化されます。
• ストローク：既存の磁石をアイテムの一方の端からもう一方の端まで同じ方向に繰り返し動かす（シングルタッチ法）、または2つの磁石を3つ目の磁石の中心から外側に動かす（ダブルタッチ法）。^{[ 35 ]}
• 電流：コイルに電流を流すことで発生する磁場は、磁区を整列させる。すべての磁区が整列すると、電流を増加させても磁化は増加しない。^{[ 36 ]}

強磁性体の消磁

磁化された強磁性材料は、次の方法で消磁（または消磁）できます。

• 磁石をキュリー温度以上に加熱すると、分子運動によって磁区の配列が崩れ、完全に消磁されます。
• 磁石を物質の保磁力を超える強度の交流磁場に置き、その後、磁石をゆっくりと引き抜くか、磁場をゆっくりとゼロまで下げます。これは、工具の消磁、クレジットカードやハードディスクの消去、CRTの消磁に使用される消磁コイルなどに使用される市販の消磁装置で使用されている原理です。
• 磁石のどの部分でも磁性体の保磁力を超える逆磁場を受けると、消磁または逆磁化が発生します。
• 磁性体の B-H 曲線 (減磁曲線) の第 2 象限の直線部分から磁石を遠ざけるのに十分な周期的な磁場が磁石に加わると、減磁が徐々に発生します。
• ハンマーで叩く、または衝撃を与える: 機械的な外乱は磁区をランダム化し、物体の磁化を低下させる傾向がありますが、許容できない損傷を引き起こす可能性があります。

永久磁石の種類

磁性金属元素

多くの物質は不対電子スピンを持っており、こうした物質の大部分は常磁性である。スピンが互いに相互作用して自発的に整列する場合、その物質は強磁性（多くの場合、広く磁性と呼ばれる）と呼ばれる。規則的な結晶原子構造によってスピンが相互作用するため、一部の金属は、鉱石などの天然の状態では強磁性を示す。これには鉄鉱石（磁鉄鉱または天然磁石）、コバルト、ニッケル、希土類金属のガドリニウム、ジスプロシウム（非常に低温の場合）などがある。こうした天然の強磁性体は、最初の磁性実験で使用された。その後、技術の進歩により磁性材料の利用範囲が広がり、様々な人工製品が作られるようになったが、それらはすべて天然の磁性元素に基づいている。

複合材料

フェライト磁石の積み重ね

セラミック磁石、またはフェライト磁石は、粉末状の酸化鉄と炭酸バリウム/ストロンチウムセラミックの焼結複合材料で作られています。材料と製造方法が安価であるため、様々な形状の安価な磁石（または携帯型AMラジオアンテナなどの電子部品に使用される非磁性の強磁性コア）を容易に大量生産できます。このようにして得られた磁石は腐食しませんが、脆く、他のセラミックと同様に扱う必要があります。

アルニコ磁石は、アルミニウム、ニッケル、コバルトに鉄、そして磁石の特性を高めるための少量の元素を加えて鋳造または焼結して作られます。焼結は優れた機械的特性を有し、鋳造はより高い磁場を発生させ、複雑な形状の設計を可能にします。アルニコ磁石は耐腐食性があり、フェライトよりも物理的特性に優れていますが、金属ほど好ましいものではありません。このグループの合金の商標名には、Alni、Alcomax、Hycomax、Columax、Ticonalなどがあります。^{[ 37 ]}

射出成形磁石は、様々な種類の樹脂と磁性粉末を複合化したもので、射出成形によって複雑な形状の部品を製造することができます。製品の物理的特性と磁気的特性は原材料によって異なりますが、一般的に磁力は低く、物理的特性はプラスチックに似ています。

フレキシブルマグネット

フレキシブル磁石は、高保磁力の強磁性化合物（通常は酸化鉄）と樹脂ポリマーバインダーを混合して作られています。^{[ 38 ]}これはシート状に押し出され、強力な円筒形の永久磁石の列に通されます。これらの磁石は、回転軸上に交互に磁極を上向き（N、S、N、S…）にして積み重ねられています。これにより、プラスチックシートに磁極が交互の列形式で刻印されます。磁石を生成するために電磁気は使用されていません。磁極間の距離は約5 mmですが、メーカーによって異なります。これらの磁石は磁力は低いですが、使用するバインダーによっては非常に柔軟になります。^{[ 39 ]}

粒界腐食の問題に脆弱な磁性化合物（例えばNd ₂ Fe ₁₄ B ）に対しては、追加の保護を与える。^{[ 38 ]}

希土類磁石

卵形の磁石（おそらくヘマチン）が互いにぶら下がっている

希土類元素（ランタノイド）は、部分的に占有されたf電子殻（最大14個の電子を収容可能）を有します。これらの電子のスピンは整列しているため、非常に強い磁場を発生させることができます。そのため、これらの元素は、価格の高さが問題にならない小型の高強度磁石に使用されます。最も一般的な希土類磁石は、サマリウム・コバルト磁石とネオジム・鉄・ホウ素（NIB）磁石です。

単分子磁石（SMM）と単鎖磁石（SCM）

1990年代、常磁性金属イオンを含む特定の分子が、極低温で磁気モーメントを記憶できることが発見されました。これは、磁区レベルで情報を記憶する従来の磁石とは大きく異なり、理論的には従来の磁石よりもはるかに高密度の記憶媒体を提供できる可能性があります。この方向性で、現在、SMMの単層に関する研究が進められています。簡単に言うと、SMMの主な2つの特性は以下のとおりです。

1. 常磁性金属中心間の強磁性またはフェリ磁性結合によってもたらされる大きな基底状態スピン値（S ）
2. ゼロ磁場分裂の異方性の負の値（D）

ほとんどのSMMはマンガンを含みますが、バナジウム、鉄、ニッケル、コバルトのクラスターを含むこともあります。最近では、一部の鎖状磁性体は高温でも長時間磁化が持続することが発見されました。これらの系は単鎖磁性体と呼ばれています。

ナノ構造磁石

いくつかのナノ構造物質は、ボーズ・アインシュタイン凝縮のように共通の基底状態に凝集するマグノンと呼ばれるエネルギー波を示す。^{[ 40 ] [ 41 ]}

希土類元素を含まない永久磁石

米国エネルギー省高等研究計画局（ARPA-E）は、代替材料の開発を目的として、重要技術における希土類代替物質（REACT）プログラムを後援しました。2011年、ARPA-Eは希土類代替物質プロジェクトに3,160万ドルの資金を提供しました。^{[ 42 ]}鉄窒化物は、希土類元素を含まない磁石の有望な材料です。^{[ 43 ]}

2026年、研究者らは、希土類元素ではなく、豊富な3d遷移金属とホウ素を用いた高エントロピー（5元素以上合金）永久ホウ化物磁石を発表しました。この磁石は常温常圧で動作します。C16正方晶系対称性の結晶構造を採用し、コンビナトリアルスパッタリング法で形成されました。^{[ 44 ]}

費用

現在、磁場強度を考慮すると最も安価な永久磁石はフレキシブル磁石とセラミック磁石ですが、これらも最も弱い磁石の一つです。フェライト磁石は、酸化鉄や炭酸Baまたは炭酸Srなどの安価な原材料から作られるため、主に低コストの磁石です。しかし、新しい低コスト磁石であるMn-Al合金^{[ 38 ] [ 45 ] [ 46 ]}が開発され、現在、低コスト磁石の分野を席巻しています。この合金はフェライト磁石よりも高い飽和磁化を有し、温度係数も優れていますが、熱的に不安定になる場合があります。 ネオジム-鉄-ホウ素（NIB）磁石は最も強力な磁石の一つです。これらは、他のほとんどの磁性材料よりもキログラム当たりのコストが高いですが、強力な磁場のため、多くの用途で小型で安価です。^{[ 47 ]}

温度

温度に対する感度は磁石によって異なりますが、キュリー点と呼ばれる温度まで加熱すると、その温度以下に冷却した後でも、磁石の磁性は完全に失われます。ただし、多くの場合、磁石は再磁化が可能です。

さらに、一部の磁石は脆く、高温で破損する可能性があります。

使用可能な最高温度は、アルニコ磁石の場合は 540 °C (1,000 °F) を超え、フェライトおよび SmCo の場合は約 300 °C (570 °F)、NIB の場合は約 140 °C (280 °F)、フレキシブルセラミックの場合はそれ以下ですが、正確な数値は材料のグレードによって異なります。

電磁石

電磁石は、最も単純な形では、ソレノイドと呼ばれる1つ以上のループ状に巻かれた電線です。電流が電線に流れると、磁場が発生します。磁場はコイルの近く（特にコイル内部）に集中し、その磁力線は磁石の磁力線と非常に似ています。この有効な磁石の向きは右手の法則によって決まります。電磁石の磁気モーメントと磁場は、電線のループ数、各ループの断面積、そして電線を流れる電流に比例します。^{[ 48 ]}

コイル状の電線を特別な磁性を持たない材料（例えば段ボール）に巻き付けると、非常に弱い磁場を発生する傾向があります。しかし、鉄釘のような柔らかい強磁性材料に巻き付けると、生成される正味の磁場は数百倍から数千倍の強度に増強される可能性があります。

電磁石の用途には、粒子加速器、電気モーター、廃品置き場のクレーン、磁気共鳴画像装置などがあります。用途によっては、単純な磁気双極子以上の構成が必要となる場合もあります。例えば、四極子磁石や六極子磁石は粒子ビームを集束させる ために使用されます。

単位と計算

ほとんどの工学分野では、MKS（合理化）単位系またはSI （国際単位系）単位系が一般的に使用されています。ガウス単位系とCGS-EMU単位系は、磁気特性において同じ単位系であり、物理学で広く使用されています。

すべてのユニットにおいて、単位体積あたりの磁気モーメントとして定義される 磁化Mに加えて、 2 種類の磁場BとHを使用すると便利です。

1. 磁気誘導場BはSI単位系のテスラ（T）で表されます。Bは、ファラデーの法則により、時間変化によって循環電場（電力会社が供給する）を生成する磁場です。また、 Bは移動する荷電粒子に偏向力（テレビブラウン管のように）を与えます。テスラは単位面積（平方メートル）あたりの磁束（ウェーバー単位）に相当するため、Bは磁束密度の単位となります。CGS法では、 Bの単位はガウス（G）です。1テスラは10 ⁴  Gに相当します。
2. 磁場HはSI単位系のアンペアターン/メートル（Aターン/m）で表されます。電流が流れる電線によってHが発生すると、その値は電線の巻数に比例するため、回転数が表示されます。CGS法では、 Hの単位はエルステッド（Oe）です。1Aターン/mは4π×10 ⁻³ Oeに相当します。
3. 磁化MはSI単位系のアンペア/メートル（A/m）で表されます。CGS単位系のMの単位はエルステッド（Oe）です。1A/mは10 ⁻³  emu/cm ³に相当します。優れた永久磁石は、1メートルあたり100万アンペアもの磁化を持つことがあります。
4. SI単位では、 B  = μ ₀ ( H  +  M )の関係が成り立ちます。ここで、 μ ₀は空間の透磁率で、4π×10 ^{−7 T•m/Aに等しくなります。CGS単位では、} B  = H  + 4π M と表記されます。（極アプローチにより、SI単位ではμ ₀ Hが得られます。SI単位系のμ ₀ M項でこのμ ₀ Hを補い、磁石B内の正しい磁場を与える必要があります。これは、アンペリアン電流を用いて計算された磁場Bと一致します。）

永久磁石ではない材料は、通常、SI においてM  = χ Hの関係を満たします。ここで、 χは (無次元) 磁化率です。ほとんどの非磁性​​材料のχは比較的小さく(100 万分の 1 程度)、軟質磁石のχ は数百または数千のオーダーになることがあります。M  = χ Hを満たす材料の場合、 B  = μ ₀ (1 +  χ ) H  = μ ₀ μ _r H  = μ Hとも表記されます。ここで、μ _r  = 1 +  χは (無次元) 相対透磁率、 μ =μ ₀ μ _rは透磁率です。硬質磁石と軟質磁石の両方とも、より複雑で履歴に依存する動作をします。これはヒステリシス ループによって説明され、B vs. HまたはM vs. Hのいずれかになります。CGS では、M  = χ Hですが、χ _SI  = 4 πχ _CGSであり、 μ = μ _rです。

注意: ローマ字とギリシャ語の記号が十分でないこともあり、磁極の強さと磁気モーメントを表す共通の記号はありません。記号mは、磁極の強さ (単位 A•m、ここで縦向きの m はメートル) と磁気モーメント (単位 A•m ² )の両方に使用されています。記号μは、一部のテキストでは透磁率に、また別のテキストでは磁気モーメントに使用されています。ここでは、透磁率にμ 、磁気モーメントにmを使用します。磁極の強さにはq _{m を}使用します。断面積Aで軸に沿って均一な磁化Mを持つ棒磁石の場合、磁極の強さはq _m  = MAで表され、M は単位面積あたりの磁極の強さと考えることができます。

磁石の磁場

さまざまなアスペクト比の円筒磁石の磁力線

磁石から遠く離れた場所では、その磁石によって生成される磁場は、ほぼ常に（かなり近似的に）全磁気モーメントによって特徴付けられる双極子磁場によって記述されます。これは、磁気モーメントがゼロでない限り、磁石の形状に関わらず当てはまります。双極子磁場の特徴の一つは、磁場の強度が磁石の中心からの距離の3乗に反比例して減少することです。

磁石に近づくにつれて、磁場はより複雑になり、磁石の詳細な形状と磁化に大きく依存するようになります。正式には、磁場は多重極展開として表すことができます。つまり、双極子場、四極子場、八極子場などです。

近距離では、様々な磁場が発生する可能性があります。例えば、片方の端にN極、もう片方の端にS極がある細長い棒磁石の場合、両端付近の磁場は、その極からの距離の2乗に反比例して減少します。

磁力の計算

単一の磁石の引力

磁石の強さは、その引力、つまり強磁性体を引きつける能力で表すことがあります。^{[ 49 ]}電磁石または永久磁石によって生じる引力は、空隙のない状態（つまり、強磁性体が磁石の極に直接接触している状態）では^{[ 50 ]} 、マクスウェル方程式で表されます。^{[ 51 ]}

${\displaystyle F={{B^{2}A} \over {2\mu _{0}}}}$ 、

どこ：

• Fは力（SI単位：ニュートン）
• Aはポールの断面積（平方メートル）です。
• Bは磁石によって及ぼされる磁気誘導です。

この結果は、磁石の極が磁気単極子で充電され、それが強磁性体にも同様の 磁気単極子を誘導すると仮定するギルバート モデルを使用して簡単に導き出すことができます。

磁石が垂直に作用している場合、次の簡単な式で表される 質量m (キログラム単位) を持ち上げることができます。

${\displaystyle m={{B^{2}A} \over {2\mu _{0}g}},}$

ここでgは重力加速度です。

2つの磁極間の力

古典的には、2つの磁極間の力は次のように表される。^{[ 52 ]}

${\displaystyle F={{\mu q_{m1}q_{m2}} \over {4\pi r^{2}}}}$

どこ

Fは力（SI単位：ニュートン）

q _{m 1}とq _{m 2}は磁極の大きさ（SI単位：アンペアメートル）

μは介在媒体の透磁率です（SI単位：テスラメートル/アンペア、ヘンリー/メートル、またはニュートン/アンペア2乗）

rは距離です (SI 単位: メートル)。

極の記述は現実世界の磁石を設計するエンジニアにとって有用ですが、現実の磁石の極分布は単一のN極とS極よりも複雑です。そのため、極の考え方を実装するのは簡単ではありません。場合によっては、以下に示すより複雑な式のいずれかの方が有用となることがあります。

領域Aの2つの近接した磁化された表面間の力

近接する二つの磁化面間の機械力は、以下の式で計算できる。この式は、フリンジングの影響が無視でき、かつ、空隙の体積が磁化材料の体積よりもはるかに小さい場合にのみ有効である。^{[ 53 ] [ 54 ]}

${\displaystyle F={\frac {\mu _{0}H^{2}A}{2}}={\frac {B^{2}A}{2\mu _{0}}}}$

どこ：

Aは各表面の面積（m ^{2 ）です。}

Hは磁界（A/m）である。

μ ₀は空間の透磁率であり、4π×10 ⁻⁷  T•m/Aに等しい。

Bは磁束密度（T）です。

2本の棒磁石間の力

2つの同一の円筒形棒磁石を端から端まで遠く離れたところに設置した場合、その間の力はおよそ次の式で表される。^{[ 53 ]}${\displaystyle z\gg R}$

${\displaystyle F\simeq \left[{\frac {B_{0}^{2}A^{2}\left(L^{2}+R^{2}\right)}{\pi \mu _{0}L^{2}}}\right]\left[{\frac {1}{z^{2}}}+{\frac {1}{(z+2L)^{2}}}-{\frac {2}{(z+L)^{2}}}\right]}$

どこ：

B ₀は各極に非常に近い磁束密度（T）である。

Aは各極の面積（m ^{2 ）}である。

Lは各磁石の長さ（m）である。

Rは各磁石の半径（m）であり、

zは 2 つの磁石間の距離 (m) です。

${\displaystyle B_{0}\,=\,{\frac {\mu _{0}}{2}}M}$ 極における磁束密度と磁石の磁化を関連付けます。

これらの定式化はすべて、比較的遠距離でも使用可能なギルバートモデルに基づいていることに注意してください。他のモデル（例えばアンペールモデル）では、より複雑な定式化が用いられ、解析的に解くことができない場合もあります。そのような場合は、数値解析手法を使用する必要があります。

2つの円筒形磁石間の力

半径と長さ の2つの円筒形磁石の磁気双極子が一直線に並んでいる場合、遠距離での力は漸近的に次のように近似できる。^{[ 55 ]}${\displaystyle R}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle z\gg R}$

${\displaystyle F(z)\simeq {\frac {\pi \mu _{0}}{4}}M^{2}R^{4}\left[{\frac {1}{z^{2}}}+{\frac {1}{(z+2L)^{2}}}-{\frac {2}{(z+L)^{2}}}\right]}$

ここで、は磁石の磁化、は磁石間のギャップである。磁石に非常に近い位置での磁束密度の測定は、おおよそ次の式で 表される。${\displaystyle M}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle B_{0}}$ ${\displaystyle M}$

${\displaystyle B_{0}={\frac {\mu _{0}}{2}}M}$

有効磁気双極子は次のように表される。

${\displaystyle m=MV}$

磁石の体積はどこにありますか。円柱の場合、これは です。 ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle V=\pi R^{2}L}$

のとき、点双極子近似が得られ、 ${\displaystyle z\gg L}$

${\displaystyle F(x)={\frac {3\pi \mu _{0}}{2}}M^{2}R^{4}L^{2}{\frac {1}{z^{4}}}={\frac {3\mu _{0}}{2\pi }}M^{2}V^{2}{\frac {1}{z^{4}}}={\frac {3\mu _{0}}{2\pi }}m_{1}m_{2}{\frac {1}{z^{4}}}}$

これは 2 つの磁気双極子間の力の表現と一致します。

参照

• 双極子磁石
• アーンショーの定理
• エレクトレット
• 電磁場
• 電磁気
• ハルバッハ配列
• 磁性ナノ粒子
• 磁気スイッチ
• マグニートー
• 磁気化学
• 分子ベースの磁石
• 単分子磁石
• 超磁石

注記

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2. マグネシアの位置については議論があり、ギリシャ本土の地域かマグネシア・アド・シピュルムかのどちらかである可能性がある。例えば、「マグネット」を参照。Language Hatブログ。2005年5月28日。 2012年5月19日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年3月22日閲覧。
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• ウェイン・M・サスロウ『電気・磁気・光』 、アカデミック（2002年）。ISBN 0-12-619455-6第9章では、磁極の概念を用いて磁石とその磁場について論じていますが、同時に、通常の物質には磁極が実際には存在しないという証拠も示しています。第10章と第11章では、19世紀のアプローチに従って、磁極の概念を用いて電流の磁気を記述する法則を導き出しています。
• エドワード・P・フルラーニ著『永久磁石と電気機械デバイス：材料、分析、応用』、 Academic Press Series in Electromagnetism（2001年）。ISBN 0-12-269951-3。

外部リンク

• 磁石の作り方 2013年3月16日アーカイブ- Wayback Machine (ビデオ)
• 浮遊リング磁石、IAPT紀要、第4巻、第6号、145（2012年6月）。（インド物理教師協会発行）。
• 電気と磁気の簡潔な歴史 2021年10月21日アーカイブ- Wayback Machine