磁性体と磁化

μ_r を大きくすると内部の場が強まる

磁性体の棒を、上向きの外部磁場の中に置きました。水色の矢印が外部の場で、棒の中の小さな矢印が原子の磁石です。スライダーで比透磁率 μ_r を大きくすると、原子の磁石がよりはっきり同じ向きに並び、棒の中の正味の磁場を表す金色の矢印が長くなります。

磁性体とは

原子の中の電子は、軌道運動とスピンのために小さな磁気モーメントをもち、多くの原子ではそれが合わさって原子ほどの大きさの小さな磁石になります。ふだんはこれらの磁石がばらばらの向きを向いて打ち消し合うので、正味の磁場はありません。しかし外部磁場をかけると、それらが場の向きに並び始めます。新しく電流を流すのではなく、すでにある原子の磁石を整列させるのであり、このように物質が磁石のようになる性質を磁性といいます。

磁化 M、モーメントの整列

外部磁場をかけると、たくさんの原子の磁石が場の向きにそろいます。そろい具合を単位体積あたりの磁気モーメントで表したものが磁化 M です。EM-10 の分極とよく似た考え方ですが、分極は電荷がわずかに分かれたもの、磁化はもともとあった磁石が並んだものという点が違います。そろった原子の磁石が一つの向きを指すと、その磁場がすべて同じ側に加わります。

正味の場が強まる

ここで誘電体と決定的に分かれます。誘電体の分極電荷は外部電場と逆向きの場をつくって電場を弱めましたが、そろった原子の磁石は外部磁場と同じ向きの場を加えて磁場を強めます。そのため正味の磁場は外より強く、強まる倍率が比透磁率 μ_r です。B = μ_r B₀。この式は、磁性体が場の向きに細長いときによく合います。常磁性体は μ_r が 1 より少し大きく、鉄やニッケルのような強磁性体は数百から数万にもなり、磁場をとてつもなく大きくします。反磁性体は μ_r が 1 よりわずかに小さく、磁場を少し弱め、強い磁場から押し出されます。

透磁率、H と B

磁化の分を別に扱うために、磁場の強さ H を使います。磁束密度 B は、外からかけた H と物質が加えた磁化 M を合わせたものです。B = μ₀(H + M)。線形な磁性体では M が H に比例するので B = μH とすっきりし、透磁率は μ = μ_r μ₀ です。H の循環は自由電流だけで決まり、B は磁化の分まで含めた実際の場だと考えればよいでしょう。強磁性体は線形ではなく、一度磁化されるとなかなか元に戻らない履歴(ヒステリシス)を示し、この性質が永久磁石や記録媒体の土台になっています。

最初の画面に戻ると

最初の画面で μ_r を大きくすると、棒の中の原子の磁石がよりはっきりそろい、正味の磁場を表す金色の矢印がだんだん長くなりました。そろった磁石が、外部磁場と同じ向きに場を加えたからです。強まった倍率がまさに μ_r です。B = μ_r B₀。誘電体が電場を和らげたのとは正反対に、磁性体は磁場を大きくし、そのためコイルに鉄心を入れるとインダクタンスが μ_r 倍に跳ね上がります(EM-17)。

静磁気の話の最後のピースはエネルギーです。コイルや磁性体に蓄えられたエネルギーは、実は磁場そのものに入っています。次のユニット(EM-19 磁気エネルギー)では、これを磁場のエネルギー密度 u = B²/(2μ) として見ます。静電エネルギー u = ½εE² と対をなし、コイルの ½LI² もここから出てきます。これで静磁気の七つのユニットが締めくくられ、時間とともに変わる場とマクスウェル方程式へ進みます。