磁石のしくみ:極、電子、鉄がくっつく理由

米国立高磁場研究所(National High Magnetic Field Laboratory、MagLab)によると、磁気は電子に行き着きます。どの磁石にもN極とS極があり、異なる極は引き合い、同じ極は反発します。

1. すべての磁石に共通すること

MagLabは、すべての磁石に共通するいくつかの性質を挙げています。

• どの磁石にもN極とS極があります。
• 異なる極は引き合い、同じ極は反発します。 N極はS極を引き、N極はN極を押し返します。
• どの磁石も磁場に囲まれています。慣例として、磁力線はN極から出てS極に向かいます。

地球自体が巨大な磁石です。MagLabは、地球の磁場は、主に鉄でできた惑星の液体の外核の対流から生まれると科学者は考えていると説明しています。これをジオダイナモと呼びます。

2. すべては電子に行き着く

MagLabによると、すべての磁気は次の2つのいずれかの形で電子に行き着きます。

1. 動く電子。 電流、つまり導線を流れる電子の流れは、常に磁場をつくります。電磁石はこのしくみで働きます。
2. スピンする電子。 冷蔵庫の磁石のような永久磁石では、磁気は電子のスピンから生まれます。電子はそれぞれ、自分のN極とS極をもつ小さな磁石のようにふるまい、その軸は2つの向きのどちらかを向けます。

3. ほとんどの物が磁石にならない理由

電子がどれも小さな磁石なら、なぜすべてが磁石にならないのでしょうか。

MagLabによると、ほとんどの物質では、ある電子の磁気の向きがほかの電子の向きを打ち消すように原子が並んでいます。小さな磁石はすべて反対向きになり、その効果を合計すると、気づけるものは何も残りません。

4. 鉄が特別な理由:磁区

鉄といくつかの物質は違います。原子が**磁区(magnetic domain)**と呼ばれる小さな領域にまとまっています。各磁区の内部では、電子が同じ磁気の向きをもっています。

では、ふつうの鉄の釘がなぜ磁石でないのでしょうか。磁区そのものがそれぞれ違う向きを向いているため、全体としては打ち消し合うからです。

その釘を磁場の中に置くと、磁区が同じ向きにそろい始めます。MagLabは結果を簡潔に説明しています。永久磁石とは、すべての磁区が同じ向きにそろった物体です。

こうした性質をもつ物質を**強磁性(ferromagnetic)**といいます。MagLabによると、室温で強磁性で、永久に磁化できる元素は4つだけです。鉄、ニッケル、コバルト、ガドリニウムです。5つ目のジスプロシウムは低温でのみ強磁性になります。アルミはこのリストにないので、磁石はアルミの缶ジュースから滑り落ちます。一方、冷蔵庫のドアは、MagLabが教室用活動で挙げている身近な一時的な磁石の1つです。

5. 永久磁石と一時的な磁石

永久磁石は電力なしで磁気を保ちます。スイッチで切ることはできません。MagLabは、セラミック磁石と、アルミニウム、ニッケル、コバルトの合金であるアルニコ(alnico)を一般的な2種類として挙げています。

一時的な磁石は、磁場の中にある間だけ磁石としてふるまいます。軟鉄はこうした性質をもち、MagLabによると、電話や電気モーターなどの機器で一時的な磁石として使われる理由です。

クリップで確かめられます。MagLabの教室用活動では、磁石に触れたクリップがそれ自体磁石になり、2つ目のクリップを持ち上げられます。2つのクリップをそっと引き離しても、電子がまだ整っているためしばらくくっついています。机に落とすと衝撃でその秩序が乱れ、磁気は失われます。

6. 磁石が磁力を失うしくみ

「永久」は永遠を意味しません。MagLabは磁石を消磁する主な方法を2つ説明しています。

• 熱。 熱を加えると、そろった向きを乱すエネルギーが加わります。磁石が磁場を保てなくなる温度を**キュリー点(Curie point)**といいます。
• 衝撃。 ハンマーでたたくような強い衝撃は、そろった磁区をずらすことがあります。

磁石がどれくらい持つかは材料によります。MagLabによると、純鉄が磁化したままなのは数分だけですが、多くの鉄合金ははるかに長く磁気を保ちます。

7. 電磁石:スイッチ付きの磁石

1819年、ハンス・クリスチャン・エルステッド(Hans Christian Ørsted)は、電流が流れる導線の近くで方位磁針の針が振れることに気づきました。MagLabはその理由を説明しています。電流は常に導線のまわりを回る磁場をつくります。

1本の直線の導線では弱い磁場しかできません。MagLabは強くする方法を説明しています。

1. 導線をコイルにする。 輪にして巻くと、別々の磁場が合わさって、はるかに強い磁場になります。こうしたコイルをソレノイドと呼び、磁場は巻き数に比例して増えます。10巻きで1巻きの約10倍の磁場になります。
2. 鉄心を入れる。 鉄の磁区がコイルの磁場にそろい、電気をさらに使わずに磁場を大きく強めます。
3. 電流を増やす。 コイルに流す電力が大きいほど磁場は強くなります。

電流を切れば、磁場は消えます。

8. 磁石の強さはどれくらい?

科学者は磁場の強さを**テスラ(tesla)とガウス(gauss)**で測ります。1テスラは10,000ガウスに等しい値です。MagLabはいくつかの比較を示しています。

磁石	おおよその強さ
地球の磁場	0.5ガウス(0.00005テスラ)
一般的な冷蔵庫の磁石	10ガウス
もっとも強力な永久磁石	約1.5テスラ

電磁石は永久磁石よりはるかに高い値になり、そのため研究所や病院のMRI装置がこれに頼っています。

9. 重要なポイント

• どの磁石にもN極とS極があり、異なる極は引き合い、同じ極は反発します。
• 磁気は電子から生まれ、電流として流れるか、その場でスピンしています。
• ほとんどの物質では電子の磁石が打ち消し合い、鉄といくつかの金属では磁区にそろいます。
• 永久磁石は、すべての磁区が同じ向きの物質で、熱や強い衝撃で乱れることがあります。
• 電磁石は電流を流すコイルで、鉄心を入れることが多く、電流が止まると切れます。