磁石の仕組み | 南通高原有限公司

おそらく、磁石が特定の金属を引き付けること、そして磁石には N 極と S 極があることをご存知でしょう。反対の極は互いに引き付け合う一方、同じ極は互いに反発します。磁場と電場は関連しており、磁気は、重力、強い原子力と弱い原子力とともに、宇宙の 4 つの基本的な力の 1 つです。

しかし、これらの事実はどれも、磁石が特定の金属にくっつく原因は何なのかという最も基本的な質問には答えていません。あるいは、なぜ他の金属にはくっつかないのでしょうか？なぜそれらは位置に応じて互いに引き付けたり反発したりするのでしょうか? そして、ネオジム磁石が子供の頃に遊んだセラミック磁石よりも強力なのはなぜでしょうか?

これらの質問に対する答えを理解するには、磁石の基本的な定義を知ることが役立ちます。磁石は、磁場を生成し、鉄、ニッケル、コバルトなどの金属を引き付ける物体です。磁力線は磁石の N 極から出て、S 極に入ります。永久磁石または硬磁石は、常に独自の磁場を生成します。一時磁石または軟磁石は、磁場の存在下および磁場から出た後のしばらくの間、磁場を生成します。電磁石は、電気がワイヤーコイルを通過するときにのみ磁場を生成します。

電子と陽子は小さな磁石であるため、すべての物質は何らかの磁気特性を持っています。しかし、ほとんどの材料では、電子が逆方向に回転するため、原子の磁気特性が打ち消されます。磁石を製造するために最も一般的に選択されるのは金属です。単純な金属で作られているものもありますが、合金と呼ばれる金属の組み合わせにより、さまざまな強度の磁石が生成されます。例えば：

今日の電子機器の多くは機能するために磁石を必要とします。このように磁石に依存するようになったのは比較的最近のことですが、その主な理由は、ほとんどの最新の機器では自然界に存在する磁石よりも強力な磁石が必要であるためです。磁鉄鉱の一種であるロードストーンは、天然に存在する磁石の中で最も強力です。ペーパークリップやホッチキスなどの小さな物体を引き寄せる可能性があります。

12 世紀までに、人々はロードストーンを使用して鉄片を磁化し、コンパスを作成できることを発見しました。ロードストーンを鉄の針に沿って一方向に繰り返しこすると、針が磁化されました。吊り下げると南北方向に整列します。最終的に、科学者のウィリアム・ギルバートは、この磁化された針の南北配列は、地球が N 極と S 極を持つ巨大な磁石のように振る舞うためであると説明しました。

コンパスの針は、現在使用されている多くの永久磁石ほど強力ではありません。しかし、コンパスの針とネオジム合金の塊を磁化する物理的プロセスは本質的に同じです。それは、鉄、コバルト、ニッケルなどの強磁性体の物理構造の一部である磁区として知られる微視的な領域に依存しています。各ドメインは本質的に、N 極と S 極を備えた小さな自己完結型の磁石です。磁化されていない強磁性材料では、各ドメインの N 極はランダムな方向を指します。反対方向に向いた磁区は互いに打ち消し合うため、この材料は正味の磁場を生成しません。

一方、磁石では、ほとんどまたはすべての磁区が同じ方向を向いています。微視的な磁場は互いに打ち消し合うのではなく、結合して 1 つの大きな磁場を作り出します。同じ方向を指すドメインが多いほど、フィールド全体が強くなります。各ドメインの磁場は、その N 極からその前にあるドメインの S 極まで広がります。

これは、磁石を半分に割ると、N 極と S 極を持つ 2 つの小さな磁石ができる理由を説明します。また、反対の極が引き合う理由も説明されています。磁力線が 1 つの磁石の N 極から離れ、自然に別の磁石の S 極に入り、本質的に 1 つの大きな磁石が形成されます。同様に、極は、力線が反対方向に進み、一緒に移動するのではなく衝突するため、互いに反発します。

永久磁石を作るには、金属片の磁区が同じ方向を向くようにするだけです。磁石で針をこすると、これが起こります。磁場にさらされると、ドメインの整列が促進されます。金属片内の磁区を整列させる他の方法には、次のようなものがあります。

これらの方法のうち 2 つは、自然界でロードストーンがどのように形成されるかに関する科学理論の 1 つです。科学者の中には、雷が落ちると磁鉄鉱が磁性を帯びるようになるのではないかと推測する人もいます。地球が最初に形成されたときに磁鉄鉱の破片が磁石になったという理論を唱える人もいます。酸化鉄が溶けて柔軟である間、ドメインは地球の磁場と整列しました。

今日の磁石を作る最も一般的な方法は、金属を磁場の中に置くことです。場は材料にトルクを加え、ドメインの整列を促します。磁場の適用とドメインの変更の間には、ヒステリシスとして知られるわずかな遅延が存在します。ドメインが移動を開始するまでに少し時間がかかります。何が起こるかというと、次のとおりです。

結果として得られる磁石の強さは、ドメインを移動するために使用される力の量によって異なります。その永続性、つまり保持力は、ドメインの調整を促すことがどれだけ困難かによって決まります。一般に、磁化しにくい材料は磁性を長期間保持しますが、磁化しやすい材料は元の非磁性状態に戻ることがよくあります。

磁石を逆方向の磁場にさらすことで、磁石の強度を低下させたり、完全に消磁したりすることができます。また、材料をそのキュリー点、つまり物体の磁気特性が変化する温度以上に加熱することによって、材料を消磁することもできます。熱により材料が歪み、磁性粒子が励起され、ドメインの配列が崩れます。

大きくて強力な磁石は、データの書き込みからワイヤへの電流の誘導まで、さまざまな産業用途に使用されています。しかし、巨大な磁石の輸送と設置は困難で危険な場合があります。磁石は輸送中に他の品物に損傷を与えるだけでなく、到着時に取り付けるのが困難または不可能になる可能性があります。さらに、磁石は一連の強磁性の破片を収集する傾向があり、除去するのが難しく、危険ですらあります。このため、非常に大きな磁石を使用する施設には、強磁性材料を磁石に変えるための装置が現場に設置されていることがよくあります。多くの場合、デバイスは本質的に電磁石です。

「電磁石のしくみ」を読んだことがある人なら、ワイヤを流れる電流が磁場を生成することをご存知でしょう。移動する電荷は永久磁石の磁場にも関与します。しかし、磁石の磁場はワイヤを流れる大電流から生じるのではなく、電子の動きから生じます。

多くの人は、電子は、惑星が太陽の周りを回るように、原子核の周りを回る小さな粒子であると想像しています。現在量子物理学者が説明しているように、電子の動きはそれよりももう少し複雑です。本質的に、電子は原子の殻のような軌道を満たしており、そこで粒子と波の両方として動作します。電子には電荷と質量があり、物理学者が上向きまたは下向きのスピンと表現する動きもあります。

一般に、電子はペアで原子の軌道を満たします。ペアの電子の一方が上向きにスピンすると、もう一方は下向きにスピンします。ペアの電子が両方とも同じ方向に回転することは不可能です。これは、パウリの排他原理として知られる量子力学原理の一部です。

原子の電子はそれほど遠くには移動しませんが、その移動は小さな磁場を生成するのに十分です。対になった電子は反対方向に回転するため、それらの磁場は互いに打ち消し合います。一方、強磁性元素の原子には、同じスピンを持ついくつかの不対電子があります。たとえば、鉄には同じスピンを持つ 4 つの不対電子があります。これらの電子にはその効果を打ち消す反対磁場がないため、軌道磁気モーメントを持ちます。磁気モーメントはベクトルであり、大きさと方向があります。これは、磁場の強さと磁場が及ぼすトルクの両方に関係します。磁石全体の磁気モーメントは、そのすべての原子のモーメントから生じます。

鉄のような金属では、軌道磁気モーメントにより、近くの原子が同じ南北の力線に沿って整列することが促進されます。鉄やその他の強磁性体は結晶質です。溶融状態から冷却すると、平行な軌道スピンを持つ原子のグループが結晶構造内に整列します。これにより、前のセクションで説明した磁区が形成されます。

良い磁石を作る材料は、磁石が引き付ける材料と同じであることに気づいたかもしれません。これは、磁石が同じ方向に回転する不対電子を持つ物質を引き付けるためです。つまり、金属を磁石に変える性質によって、金属も磁石に引き寄せられるのです。他の多くの元素は反磁性です。それらの不対原子は、磁石を弱く反発する磁場を生成します。いくつかの材料は磁石にまったく反応しません。

この説明とその基礎となる量子物理学はかなり複雑であり、それらがなければ磁気引力の概念は不可解なものになる可能性があります。したがって、歴史の大部分において、人々が磁性材料を疑いの目で見てきたのは驚くべきことではありません。

ガウスメーターなどの機器を使用して磁場を測定し、多数の方程式を使用して磁場を記述および説明できます。基本的な事項の一部を次に示します。

コンピューターを使用するたびに、磁石を使用することになります。あなたの家にドアホンがある場合は、おそらく電磁石を使用してノイズメーカーを駆動していると思われます。磁石は、ブラウン管テレビ、スピーカー、マイク、発電機、変圧器、電気モーター、防犯警報装置、カセットテープ、コンパス、車の速度計にも重要な部品です。

磁石には実用的な用途に加えて、数多くの驚くべき特性があります。ワイヤに電流を誘導し、電気モーターにトルクを供給します。リニアモーターカーは磁気推進力を利用して高速走行し、磁性流体はロケットエンジンに燃料を充填するのに役立ちます。

磁気圏として知られる地球の磁場は、太陽風から地球を守っています。 Wired 誌によると、指に小さなネオジム磁石を埋め込んで電磁場を検出できるようにする人もいるそうです。

磁気共鳴画像法 (MRI) 装置は磁場を使用して医師が患者の内臓を検査できるようにします。医師は、正しく治癒していない骨折を治療するためにパルス電磁場も使用します。 1980年代に米国食品医薬品局によって承認されたこの方法は、他の治療法では反応しなかった骨を修復することができます。同様の電磁エネルギーのパルスは、微小重力環境に長期間滞在する宇宙飛行士の骨や筋肉の損失を防ぐのに役立つ可能性があります。

磁石は動物の健康も守ることができます。牛は、金属物を飲み込むことで起こる外傷性網状心膜炎、またはハードウェア疾患と呼ばれる病気にかかりやすいです。飲み込んだ物は牛の胃に穴を開け、横隔膜や心臓を損傷する可能性があります。磁石はこの状態を防ぐのに役立ちます。

ある練習には、牛の餌の上に磁石を当てて金属物体を取り除くことが含まれます。もう一つは、牛に磁石を与えることです。牛用磁石として知られる細長いアルニコ磁石は、金属片を引きつけて牛の胃を傷つけるのを防ぐことができます。

一方、磁石は人の腸壁を通してくっつき、血流を遮断し、組織を破壊する可能性があるため、決して食べてはなりません。人間の場合、飲み込んだ磁石を除去するには手術が必要になることがよくあります。

さまざまな病気や状態を治療するために磁気療法の使用を主張する人もいます。専門家によると、磁気インソール、ブレスレット、ネックレス、マットレスパッド、枕は、関節炎から癌に至るまであらゆるものを治療または軽減できるとのことです。磁気を帯びた飲料水を摂取するとさまざまな病気の治療や予防ができると主張する支持者もいます。

支持者は、これがどのように機能するかについていくつかの説明を提供しています。 1つは、磁石が血液中のヘモグロビンに含まれる鉄を引き付け、特定の領域の循環を改善することです。もう1つは、磁場が近くの細胞の構造を何らかの形で変化させるというものです。

しかし、科学的研究では、静電気磁石の使用が痛みや病気に何らかの影響を与えることは確認されていません。臨床試験では、磁石によるプラスの効果は、実際には時間の経過、磁気インソールのクッション性の追加、またはプラセボ効果によってもたらされる可能性があることを示唆しています。さらに、飲料水には通常、磁化される可能性のある元素が含まれていないため、磁気を帯びた飲料水という考えには疑問が生じます。

初版発行日: 2007 年 4 月 2 日

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