磁石

磁石は磁場を生成す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、つまり鉄、鋼、ニッケル、コバルトなどの他の強磁性物質を引き付け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作り出す材料から作られた物体です。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付けられる物質は、強磁性体（またはフェリ磁性体）と呼ばれます。これには、鉄、ニッケル、コバルト元素とその合金、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磁石に引き付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、磁化はできるが磁化したままではいられない焼鈍 鉄のような磁気的に「柔らかい」材料と、磁化したままではいられない磁気的に「硬い」材料に分けられます。永久磁石は、アルニコやフェライトなどの「硬い」強磁性材料から作られ、製造時に強い磁場で特殊な処理を施すことで内部の微結晶構造を整え、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、一定の磁場をかける必要があり、この閾値はそれぞれの材料の保磁力に依存します。「硬い」材料は保磁力が高く、「柔らかい」材料は保磁力が低くなります。磁石の全体的な強さは、磁気モーメント、または磁石が生成する全磁束によって測定されます。材料の磁気の局所的な強さは、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働き、電流が止まると磁石として働かなくなるワイヤーの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」強磁性材料の芯の周りに巻かれており、コイルによって生成される磁場が大幅に強化されます。

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んだ。磁石という言葉は、中英語でラテン語の magnetum「磁石」から採用され、最終的にはギリシャ語の μαγνῆτις [λίθος] ( magnetis [lithos] ) ^[1]「マグネシアの[石]」^[2]を意味する。磁石が見つかったアナトリアの地（現在のトルコのマニサ）である。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あった。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、中国のものである。^{[3] [4] [5]}磁石の特性と鉄との親和性は、紀元1世紀に大プリニウスの百科事典博物誌に記されている。 ^[6]

11世紀の中国では、赤熱した鉄を地球の磁場で急冷すると、鉄が永久に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『夢の池随筆』に記されています。 ^{[7] [8]} 12世紀から13世紀までには、中国、ヨーロッパ、アラビア半島などで磁気コンパスが航海に使用されていました。^[9]

まっすぐな鉄の磁石は、自身の磁場によって磁化が弱まる傾向があります。これを克服するために、1743年にダニエル・ベルヌーイによって馬蹄形磁石が発明されました。 ^{[7] [10]}馬蹄形磁石は、磁力線を反対の極に戻すことで磁化の弱まりを回避します。^[11]

1820年、ハンス・クリスチャン・エルステッドは、コンパスの針が近くの電流によって偏向す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と磁化できることを示しました。^[12]これにより、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年にかけて電磁石をさらに開発し、初めて強力な磁場を利用できるようにしました。1831年、彼は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分離機を製作しました。^[13]

磁束密度（B磁場または単に磁場とも呼ばれ、通常はBで示される）はベクトル場です。空間内の特定の点における B磁場ベクトルは、次の2つの特性によって指定されます。

1. その方向は、コンパスの針の方向に沿ったものです。
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極を指し、 ^[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） で指定される。

磁石は自ら磁場を生成し、また磁場に反応します。磁石が生成する磁場の強さは、どの点においてもそ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生成された外部磁場に置かれると、磁石は磁気モーメントを磁場と平行に向けようとするトルクを受けます。 ^[16]このトルクの量は、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方向に応じて、ある方向または別の方向に動かす力を受けることもあります。磁場が空間的に均一である場合、磁石はトルクを受けるものの、正味の力を受けません。^[17]

面積Aの円形で電流Iが流れるワイヤ は、IAに等しい大きさの磁気モーメントを持ちます。

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。このような大きな値は、鉄磁石が磁場を生成するのに非常に効果的である理由を説明しています。

磁石には、磁極と原子電流という 2 つの異なるモデルが存在します。

多くの目的において、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受け取るべきではありません。これは単に磁石の両端を指す方法にすぎません。磁石は、反対側に明確な N 極または S 極の粒子を持っているわけではありません。棒磁石を 2 つに分割して N 極と S 極を分離しようとすると、それぞれが N 極と S 極を持つ 2 つの棒磁石になります。ただし、磁極アプローチの一種は、プロの磁気学者によって永久磁石の設計に使用されています。^[要出典]

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あることを意味するものではありません。磁極分布がわかっている場合、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、内側では磁化をHに追加する必要があります。この方法を拡張して内部磁荷を考慮したものは、強磁性の理論で使用されます。

もう 1 つのモデルはアンペールモデルです。このモデルでは、すべての磁化は、材料全体にわたるミクロな、または原子の円形束縛電流(アンペリアン電流とも呼ばれる) の影響によるものです。均一に磁化された円筒形の棒磁石の場合、ミクロな束縛電流の正味の効果は、磁石が表面の周囲にマクロな電流シートが流れているかのように動作し、局所的な流れの方向が円筒軸に垂直になるようにすることです。^[19]材料内部の原子のミクロな電流は、通常、隣接する原子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します。磁石の外層を削っても磁場は破壊されませんが、材料全体の円形電流による打ち消されていない電流の新しい表面が残ります。^[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します。ただし、実際には、負に帯電した電気による電流の方がはるかに一般的です。^[要出典]

磁石の北極は、磁石が自由に吊り下げられているときに、北極の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。 ^{[21] [22] [23] [24]}実際問題として、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。^[24]

磁石という用語は通常、磁場が加えられていない状態でも持続的な磁場を自ら生成する物体を指します。このような現象は、特定の種類の材料でのみ発生します。ただし、ほとんどの材料は、加えられた磁場に反応して磁場を生成します。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、すべての材料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、特に電子配置に応じて大きく異なります。さまざまな物質で、次のようないくつかの形態の磁気的挙動が観察されています。

• 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もので、磁石に引きつけられる力が十分強く、その引力が感じられるほどです。これらの材料だけが磁化を保持して磁石になることができます。一般的な例としては、従来の冷蔵庫のマグネットがあります。フェリ磁性体には、フェライトや、最も古くから使用されている天然の磁性体である磁鉄鉱と天然磁石などがあり、強磁性体に似ていますが、より弱いものです。強磁性体とフェリ磁性体の違いは、磁性で説明されているように、その微細構造に関係しています。
• 常磁性物質、例えばプラチナ、アルミニウム、酸素は、磁石のどちらかの極に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、感度の高い機器や非常に強力な磁石を使用することでしか検出できません。磁性流体は、液体中に浮遊する小さな強磁性粒子でできていますが、磁化できないため常磁性である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という意味です。常磁性体や強磁性体と比較すると、炭素、銅、水、プラスチックなどの反磁性体は、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1つ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体にかかる力は、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と、鉛片やネズミ^{[25]などの}反磁性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はじくため、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。

• 磁気記録媒体：VHSテープには磁気テープのリールが入っています。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エンコードされています。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と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。^[26]
• クレジットカード、デビットカード、ATMカード：これらのカードに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接続するための情報がエンコードされています。^[27]
• 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：ブラウン管を内蔵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誘導します。^[28]
• 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用して、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コーンに取り付けられたボビンに巻き付けられ、信号を変化する電流として運び、永久磁石の磁場と相互作用します。ボイス コイルは磁力を感じ、それに応じてコーンを動かし、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、その逆です。マイクには、コイル状のワイヤーに取り付けられたダイヤフラムまたは膜があります。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、コイル全体に電圧が誘導されます。この電圧によって、元の音の特徴である電流がワイヤーに流れます。
• エレキギターは、磁気ピックアップを使用してギターの弦の振動を電流に変換し、それを増幅します。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ます。振動は磁石によって直接感知され、ダイアフラムは使用されません。ハモンドオルガンは、弦の代わりに回転するトーンホイールを使用する同様の原理を採用しました。
• 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に依存しており、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によって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見つけ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化合物の特性を調べます。
• チャックは金属加工の分野で物体を固定するために使用されます。磁石は、磁気ベース、磁気クランプ、冷蔵庫マグネットなど、他の種類の固定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)に合わせて自由に位置を調整できる磁化された指針です。
• アート: ビニール製のマグネット 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、冷蔵庫やその他の金属表面に貼り付けることができます。物体や塗料をマグネット表面に直接塗布して、コラージュ アート作品を作成できます。金属のマグネット ボード、ストリップ、ドア、電子レンジ、食器洗い機、自動車、金属の I 型梁、およびあらゆる金属表面を、マグネット ビニール アートに使用できます。
• 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。^[29]

• 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われ、面白い効果を生み出しています。
• 冷蔵庫マグネットは、キッチンを飾ったり、記念品として使ったり、あるいは単に冷蔵庫のドアにメモや写真を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用できます。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場合もあれば、磁石と鉄ビーズを連結して完全に作られている場合もあります。
• 磁石は、小さすぎたり、届きにくかったり、指でつかむには細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）を拾うことができます。一部のドライバーは、この目的のために磁化されています。
• 磁石は、スクラップやサルベージ作業で磁性金属 (鉄、コバルト、ニッケル) を非磁性金属 (アルミニウム、非鉄合金など) から分離するために使用できます。同じ考え方は、いわゆる「磁石テスト」にも使用できます。このテストでは、磁石を使用して自動車のシャーシを検査し、グラスファイバーやプラスチックパテを使用して修復された領域を検出します。
• 磁石は、プロセス産業、特に食品製造業で、プロセスに入る材料（原材料）から金属異物を除去したり、プロセスの最後や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を保護する重要な層を構成します。^[30]
• 磁気浮上輸送、またはマグレブは、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。転がり抵抗をなくすことで効率が向上します。マグレブ列車の最高記録速度は時速 581 キロメートル (361 マイル) です。
• 磁石は、一部の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。たとえば、一部のノートパソコンの電源コードは磁石になっており、つまずいたときにポートが誤って損傷するのを防ぎます。Apple MacBook のMagSafe電源接続はその一例です。

人間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への影響を示す主流の科学的証拠はほとんどありません。ただし、動磁場は別の問題である可能性があります。人口統計学的相関関係により、電磁放射線と癌発生率の相関関係が想定されています ( 「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、外部磁場がそれと相互作用することで重大な安全上のリスクが生じる可能性がある。^[31]

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 (通常は心臓を監視および調整して電気的に誘導された安定した拍動を行うため)、磁場から遠ざけるように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使用して検査することはできません。

子ども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組織を挟んだり刺したりする恐れがあり危険です。^[32]

磁気画像診断装置（MRIなど）は強力な磁場を発生するため、MRI を設置する部屋には鉄金属を持ち込むことはできません。鉄金属でできた物体（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物体が激しく揺さぶられる可能性があるため、安全上の重大なリスクが生じます。

強磁性材料は、次の方法で磁化されます。

• 物体をキュリー温度以上に加熱し、磁場内で冷却し、冷却中にハンマーで叩きます。これは最も効果的な方法であり、永久磁石を作成するために使用される工業プロセスに似ています。
• アイテムを外部磁場内に置くと、アイテムは取り除いた後も磁気をいくらか保持します。振動により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、振動の影響を受ける鉄材料 (例: コンベアのフレーム) は、かなりの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）か、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）。^[33]
• 電流：コイルに電流を流すことで発生する磁場は磁区を一列に並べることができます。すべての磁区が一列に並ぶと、電流を増やしても磁化は増加しません。^[34]

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破壊されます。これにより、常にすべての磁化が除去されます。
• 磁石を物質の保磁力以上の強度の交流磁場内に置き、その後磁石をゆっくりと引き離すか、磁場をゆっくりとゼロまで減少させます。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 の消磁に使用する消磁コイルなどの市販の消磁装置で使用されている原理です。
• 磁石の一部が磁性体の保磁力を超える逆磁場にさらされると、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が離れるほどの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。
• ハンマーや振動: 機械的な外乱は磁気ドメインをランダム化し、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。

多くの物質は不対電子スピンを持っており、これらの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（大まかに磁性と呼ばれることが多い）と呼ばれる。規則的な結晶 原子構造がスピンの相互作用を引き起こす方法のため、一部の金属は、鉱石などの天然の状態では強磁性である。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、および希土類金属のガドリニウムとジスプロシウム（非常に低い温度の場合）が含まれる。このような天然の強磁性体は、磁性の最初の実験で使用された。その後、技術の進歩により磁性材料の利用範囲が広がり、さまざまな人工製品が含ま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。

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。材料と製造方法が低コストであるため、さまざまな形状の安価な磁石（またはポータブル AM ラジオ アンテナなどの電子部品に使用する非磁化強磁性コア）を簡単に大量生産できます。結果として得られる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、コバルトに鉄と少量のその他の元素を加えて鋳造または焼結して作られ、磁石の特性を高めます。焼結は優れた機械的特性を提供し、鋳造はより高い磁場を提供し、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、フェライトよりも許容度の高い物理的特性を持っていますが、金属ほど望ましいものではありません。このファミリーの合金の商標名には、Alni、Alcomax、Hycomax、Columax、Ticonalなどがあります。^[35]

射出成形磁石は、各種樹脂と磁性粉末の複合材で、射出成形により複雑な形状の部品を製造できます。製品の物理的特性や磁気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。^[36]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、回転軸上で交互に磁極を上向きにして（N、S、N、S...）積み重ねて配置されます。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。極間の距離は5 mm程度ですが、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。^[37]

粒界腐食の問題に弱い磁性化合物（例：Nd ₂ Fe ₁₄ B ）に対しては、追加の保護を提供します。^[36]

希土類元素 (ランタノイド) には、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) があります。これらの電子のスピンは整列できるため、非常に強い磁場を生じます。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。

1990 年代に、常磁性金属イオンを含む特定の分子が、非常に低い温度で磁気モーメントを保存できることが発見されました。これらは、情報を磁気ドメイン レベルで保存する従来の磁石とはまったく異なり、理論的には従来の磁石よりもはるかに高密度の保存媒体を提供できます。この方向で、現在、SMM の単層に関する研究が進行中です。簡単に言うと、SMM の 2 つの主な属性は次のとおりです。

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 にはマンガンが含まれていますが、バナジウム、鉄、ニッケル、コバルトのクラスターも含まれています。最近では、一部のチェーン システムも高温で長時間持続する磁化を示すことがわかっています。これらのシステムは、シングル チェーン マグネットと呼ばれています。

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。^{[38] [39]}

米国エネルギー省は、永久磁石技術における希土類金属の代替品を見つける必要性を認識し、そのような研究に資金提供を開始した。エネルギー高等研究計画局（ARPA-E）は、代替材料を開発するための重要技術における希土類代替品（REACT）プログラムを後援している。2011年、ARPA-Eは希土類代替プロジェクトに3160万ドルの資金を提供した。^[40]鉄窒化物は、希土類を含まない磁石の有望な材料である。^[41]

現在^[update]最も安価な永久磁石は、磁場の強さを考慮すると、フレキシブル磁石とセラミック磁石ですが、これらは最も弱いタイプでもあります。フェライト磁石は、安価な原材料である酸化鉄と炭酸バリウムまたは炭酸ストロンチウムから作られているため、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マンガン-アルミニウム合金^{[36] [非一次情報源が必要] [42] [43]}が開発され、現在、低コスト磁石の分野を支配しています。^[要出典]この磁石は、フェライト磁石よりも飽和磁化が高く、温度係数もより良好ですが、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 1 つです。これらは、他のほとんどの磁性材料よりも 1 キログラムあたりのコストが高いですが、磁場が強いため、多くの用途で小型で安価です。^[44]

温度に対する感度はさまざまですが、磁石がキュリー点と呼ばれる温度まで加熱されると、その温度以下に冷却した後でも、磁石の磁性はすべて失われます。ただし、磁石は再磁化できる場合がよくあります。

さらに、磁石の中には脆いものもあり、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、フェライトと 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より低くなりますが、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つ以上のループに巻かれた電線です。電流が電線を流れると、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ものと非常に似ています。この有効な磁石の方向は、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、電線のループの数、各ループの断面積、および電線を流れる電流に比例します。^[45]

コイル状の電線を特別な磁気特性を持たない素材（段ボールなど）に巻き付けると、非常に弱い磁場が生成される傾向があります。しかし、鉄釘などの柔らかい強磁性素材に巻き付けると、生成される正味の磁場は、磁場の強さを数百倍から数千倍に増加させる可能性があります。

電磁石の用途としては、粒子加速器、電動モーター、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になることもあります。たとえば、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。

ほとんどの工学アプリケーションでは、MKS (合理化) 単位またはSI (国際単位系) 単位が一般的に使用されています。他の 2 つの単位セット、ガウスとCGS-EMUは磁気特性に関して同じであり、物理学でよく使用されます。^{[引用が必要]}

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 (電力会社が販売) 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も生成します (テレビのブラウン管の場合と同様)。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) に等しいため、B は磁束密度の単位となります。CGS 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 単位のアンペアターン/メートル (A-turn/m) で表されます。電流を流す電線によってHが生成されると、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 では、 Hの単位はエルステッド (Oe) です。1 A-turn/m は 4π×10 ⁻³ Oe に相当します。
3. 磁化M は、SI 単位のアンペア/メートル (A/m) で表されます。CGS では、 Mの単位はエルステッド (Oe) です。1 A/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できます。
4. SI 単位では、関係B  = μ ₀ ( H  +  M ) 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 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μ ₀ Hが得られます。次に、 SI のμ ₀ M項でこのμ ₀ Hを補足して、磁石B内の正しい磁場を与える必要があります。これは、アンペリア電流を使用して計算された磁場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 (無次元の) 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とも表記できます。ここで、μ _r  = 1 +  χは (無次元の) 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、履歴に依存するより複雑な動作をします。これはヒステリシス ループと呼ばれるもので説明され、 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字の数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、他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 を使用し、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。

磁石から遠く離れると、その磁石によって生成される磁場は、ほとんどの場合、その磁石の総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（かなり正確に）説明されます。これは、磁気モーメントがゼロでない限り、磁石の形状に関係なく当てはまります。双極子磁場の特徴の 1 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します。正式には、磁場は、双極子場、四極子場、八極子場などの 多極展開として表現できます。

近距離では、さまざまな磁場が発生する可能性があります。たとえば、一方の端に N 極、もう一方の端に S 極がある細長い棒磁石の場合、どちらかの端の近くの磁場は、その極からの距離の 2 乗に反比例して減少します。

磁石の強さは、その引力、つまり強磁性体を引っ張る能力で表すことがあります。 [ ^{46 ]}電磁石または永久磁石が空隙のない状態で及ぼす引力（つまり、強磁性体が磁石の極と直接接触している）は、マクスウェル方程式で表されます。^[48]

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

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は磁石によって生じる磁気誘導である

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。

磁石が垂直に作用する場合、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。

古典的には、2つの磁極間の力は次のように表される: ^[49]

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

どこ

Fは力（SI単位：ニュートン）

q _{m 1}とq _{m 2}は磁極の大きさです（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、ニュートン/アンペアの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便利ですが、実際の磁石の極の分布は単一の N と S よりも複雑です。したがって、極の考え方の実装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 1 つがより役立ちます。

二つの近接する磁化された表面間の機械的な力は、次の式で計算できます。この式は、フリンジングの影響が無視でき、空隙の体積が磁化された材料の体積よりもはるかに小さい場合にのみ有効です。^{[50] [51]}

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

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つの同一の円筒形棒磁石を端から端まで離れた距離に置いた場合、その磁石間の力はおよそ次のようになる。^{[疑わしい–議論の余地あり]}、^[50]${\displaystyle z\gg R}$

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

どこ：

B ₀は各極に非常に近い磁束密度（T）であり、

Aは各極の面積（m ^{2 ）}である。

Lは各磁石の長さ（m）です。

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、比較的遠距離で使用できるギルバートの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: アンペールのモデル) では、より複雑な定式化が使用され、解析的に解くことができない場合があります。このような場合は、数値的手法を使用する必要があります。

半径と長さの2つの円筒形磁石の磁気双極子が一直線上にある場合、遠距離での力は次のように漸近的に近似できる。^[52]${\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す。磁石に非常に近い磁束密度の測定は、おおよそ次の式で 表されます。${\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。

• 磁石の作り方 2013-03-16 にWayback Machineでアーカイブ(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の出版物)。
• 電気と磁気の簡単な歴史