磁気

磁気とは、磁場によって生じる物理的性質の総称であり、物体同士が引き合ったり反発し合ったりする現象である。電流と素粒子の磁気モーメントの両方が磁場を発生させるため、磁気は電磁気学の2つの側面のうちの1つである。

よく知られている現象は強磁性体で起こります。強磁性体は磁場に強く引きつけられ、磁化することで永久磁石となり、自ら磁場を発生させます。磁石の消磁も可能です。強磁性体となる物質はごくわずかで、最も一般的なものは鉄、コバルト、ニッケル、およびそれらの合金です。

すべての物質は何らかの磁性を示します。磁性体は、体積磁化率によって分類されます。^{[ 1 ]}強磁性は、日常生活で遭遇する磁気効果のほとんどの原因ですが、実際にはいくつかの種類の磁性があります。アルミニウムや酸素などの常磁性物質は、印加された磁場に弱く引き付けられます。銅や炭素などの反磁性物質は弱く反発されます。一方、クロムなどの反強磁性物質は、磁場とのより複雑な関係を持っています。常磁性、反磁性、反強磁性物質に対する磁石の力は通常弱すぎて感じることができず、実験室の機器でのみ検出できるため、日常生活ではこれらの物質は非磁性であると表現されることがよくあります。

磁場の強さは常に磁気源からの距離とともに減少しますが、^{[ 2 ]}強さと距離の間の正確な数学的関係は変化します。物体の磁場には、物質の磁気モーメント、物体の物理的な形状、物体内に存在する電流の大きさと方向、物体の温度など、多くの要因が影響を与える可能性があります。

磁気は、人々が磁鉄鉱という鉱物の天然の磁化片である磁石が鉄を引き付けることに気付いた古代世界で初めて発見されました。 ^{[ 3 ]}磁石という言葉は、ギリシャ語のμαγνῆτις λίθος magnētis lithos ^{[ 4 ]}「マグネシアの石、磁石」に由来します。 ^{[ 5 ]}古代ギリシャでは、アリストテレスは、磁気に関する科学的議論と呼べるものの最初のものを、紀元前625年頃から紀元前545年頃まで生きた哲学者ミレトスのタレスに帰しています。^{[ 6 ]}古代インドの医学書スシュルタ・サンヒターには、人の体に刺さった矢を取り除くために磁鉄鉱を使用することが記述されています。^{[ 7 ]}  

古代中国では、磁気に関する最古の文献上の記述は、紀元前4世紀の著述家である桂谷子の名を冠した書物にある。^{[ 8 ]} 紀元前2世紀の年代記『呂史春秋』にも、「磁石は鉄を引き寄せる。何らかの力がそれを引きつけている」と記されている。 ^{[ 9 ]}針の引力に関する最古の記述は、 1世紀の著作『論衡』にある。「磁石は針を引きつける」^{[ 10 ]} 11世紀の中国の科学者、沈括は、 『夢潝論』の中で、磁針コンパスについて初めて記述し、真北という天文学的概念を用いることで航海の精度が向上したと述べている。12世紀までには、中国人は航海に磁石コンパスを使用していたことが知られていた。彼らは磁鉄鉱から方位を示すスプーンを彫り出し、スプーンの柄が常に南を指すようにした。

1187年までに、アレクサンダー・ネッカムはヨーロッパで初めて羅針盤とその航海への利用について記述した。1269年、ピーター・ペレグリヌス・ド・マリクールは、磁石の性質を記述した現存する最初の論文である『磁石に関する書簡』を著した。1282年には、イエメンの物理学者、天文学者、地理学者であるアル・アシュラフ・ウマル2世が磁石の性質と乾式羅針盤について論じた。^{[ 11 ]}

レオナルド・ガルツォーニの現存する唯一の著作である『磁石の性質と特性に関する2つの論文』（Due trattati sopra la natura, e le qualità della calamita）は、磁気現象に関する近代的な研究の最初の例として知られている。1580年頃に執筆され、出版されることはなかったこの論文は、広く普及した。特に、ニッコロ・カベオはガルツォーニを磁気の専門家として言及しており、彼の著書『磁気哲学』（1629年）はガルツォーニの著作を再構成したものである。ガルツォーニの論文は、ジョヴァンニ・バッティスタ・デッラ・ポルタにも知られていた。

1600年、ウィリアム・ギルバートは『磁石と磁性体、そして大磁石である地球について』 （De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure ）を出版した。この著作の中で、彼は「テラッラ」と呼ばれる模型の地球を用いた数々の実験について述べている。彼の実験から、地球自体が磁性体であり、それが羅針盤が北を指す理由であると結論づけた。それまで、羅針盤が北を指すのは北極星ポラリスか、北極にある大きな磁気島が原因だと考えられていた。

電気と磁気の関係についての理解は、 1819年にコペンハーゲン大学の教授であったハンス・クリスチャン・エルステッドの研究から始まりました。彼は、導線の近くで方位磁針の針が偶然に動くことで、電流が磁場を作り出すことができることを発見しました。この画期的な実験は、エルステッドの実験として知られています。ジャン＝バティスト・ビオとフェリックス・サバールは、1820年にビオ＝​​サバールの法則を考案し、電流が流れる導線から生じる磁場の式を示しました。ほぼ同時期に、アンドレ＝マリー・アンペールは数多くの体系的な実験を行い、任意の形状の2つの直流電流ループ間の磁力は、一方の回路の各電流要素が他方の回路の各電流要素に及ぼす個々の力の合計に等しいことを発見しました。

1831年、マイケル・ファラデーは、時間とともに変化する磁束がワイヤーループに電圧を誘起することを発見した。1835年、カール・フリードリヒ・ガウスは、アンペールの力の法則の原形に基づいて、あらゆる形態の磁気は、互いに相対的に移動する基本点電荷の結果として生じるという仮説を立てた。^{[ 12 ]}ヴィルヘルム・エドゥアルト・ウェーバーは、ガウスの理論をウェーバー電気力学へと発展させた。

1861 年頃から、ジェームズ・クラーク・マクスウェルはこれらの洞察の多くを統合し、マクスウェル方程式に拡張し、電気、磁気、光学を電磁気学の分野に統一しました。しかし、ガウスの磁気の解釈は、マクスウェルの電気力学と完全には互換性がありません。1905 年、アルバート・アインシュタインは特殊相対性理論の動機付けにマクスウェル方程式を使用し、すべての慣性系で法則が成り立つことを要求しました^{[ 13 ]}。このように、磁力を単なる相対速度の効果として解釈するガウスのアプローチは、ある程度電気力学に再び取り入れられました。

電磁気学は21世紀に入っても発展を続け、ゲージ理論、量子電磁力学、電弱理論、そして最終的には標準模型といったより基礎的な理論に組み込まれていった。

磁気の根本は、以下の点から生じる。

• 電流
• 素粒子のスピン磁気モーメント
• 変化する電場

物質の磁気特性は、主に原子の軌道を回る電子の磁気モーメントに起因します。原子核の磁気モーメントは、通常、電子の磁気モーメントよりも数千倍小さいため、物質の磁化という観点からは無視できます。しかしながら、核磁気モーメントは、特に核磁気共鳴（NMR）や磁気共鳴画像法（MRI）など、他の分野では非常に重要です。

通常、物質中の膨大な数の電子は、軌道磁気モーメントと固有磁気モーメントの両方が互いに打ち消し合うように配置されています。これは、パウリの排他原理（電子配置を参照）の結果として、電子が反対の固有磁気モーメントを持つペアを形成したり、軌道運動がゼロの満たされた副殻を形成したりすることによるものです。どちらの場合も、電子は、各電子の磁気モーメントが他の電子の反対のモーメントによって打ち消されるような配置を優先的にとります。さらに、電子配置が不対電子や満たされていない副殻が存在するような場合でも、固体中のさまざまな電子が異なるランダムな方向を向く磁気モーメントを寄与するため、物質は磁性を示さないことがよくあります。

時として、自然発生的に、あるいは外部磁場の印加によって、各電子の磁気モーメントが平均的に整列することがある。適切な材料を用いることで、強力な正味磁場を発生させることが可能となる。

物質の磁気特性は、上述の理由から、その構造、特に電子配置に依存するだけでなく、温度にも依存する。高温では、ランダムな熱運動によって電子が整列状態を維持することがより困難になる。

すべての物質はある程度磁性を持つが、磁場を著しく増強する物質は磁性体とみなされる。これらの物質はさらに、鉄、ニッケル、コバルトなどの強磁性体、またはFeなどのフェリ磁性体に分類される。₃ O_4. ^{[ 17 ] : 12}材料の磁気特性をリストした大規模データベースは、AIツールによって分析され、新しい磁性材料を予測することができる。 ^{[ 18 ]}

電磁石は、電流によって磁場が生成されるタイプの磁石です。^{[ 19 ]}電流を切ると磁場は消えます。電磁石は通常、磁場を生成する多数の密に巻かれた導線で構成されています。導線は、鉄などの強磁性体またはフェリ磁性体で作られた磁気コアの周りに巻かれることが多く、磁気コアは磁束を集中させてより強力な磁石にします。

電磁石が永久磁石よりも優れている主な点は、巻線に流れる電流の量を制御することで磁場を素早く変化させることができる点です。しかし、永久磁石は電力を必要としないのに対し、電磁石は磁場を維持するために継続的な電流供給が必要です。

電磁石は、モーター、発電機、リレー、ソレノイド、スピーカー、ハードディスク、MRI装置、科学機器、磁気分離装置など、他の電気機器の部品として広く使用されています。電磁石は、鉄くずや鋼鉄などの重い鉄製品を持ち上げて移動するために産業界でも使用されています。^{[ 20 ]}電磁気学は1820年に発見されました。 ^{[ 21 ]}

アインシュタインの特殊相対性理論の結果として、電気と磁気は根本的に相互に関連しています。長さの収縮、時間の遅れ、磁力が速度に依存するという事実などの効果により、電気のない磁気と磁気のない電気の両方が特殊相対性理論と矛盾します。しかし、電気と磁気の両方を考慮に入れると、結果として得られる理論（電磁気学）は特殊相対性理論と完全に一致します。^{[ 13 ] [ 22 ]}特に、ある観測者には純粋に電気的または純粋に磁気的に見える現象は、別の観測者には両方の混合である場合があり、より一般的には、電気と磁気の相対的な寄与は参照系に依存します。したがって、特殊相対性理論は、一般相対性理論が空間と時間を時空に「混合」する方法と同様に、電気と磁気を電磁気学と呼ばれる単一の分離不可能な現象に「混合」します。

電磁気学に関するすべての観測は、主に磁気と考えられるものに適用されます。たとえば、磁場の摂動には必ずゼロでない電場が伴い、光速で伝播します。^{[ 23 ]}

真空中では、 $${\displaystyle \mathbf {B} \ =\ \mu _{0}\mathbf {H} ,}$$ ここでμ₀_は真空の透磁率である。

材料において、 $${\displaystyle \mathbf {B} \ =\ \mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M} ).\ }$$

量μ₀M_は磁気分極と呼ばれます。

磁場Hが小さい場合、反磁性体または常磁性体における磁化Mの応答はほぼ線形である。 $${\displaystyle \mathbf {M} =\chi \mathbf {H} ,}$$ 比例定数は磁化率と呼ばれる。そうであれば、 $${\displaystyle \mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M} )\ =\ \mu _{0}(1+\chi )\mathbf {H} \ =\ \mu _{r}\mu _{0}\mathbf {H} \ =\ \mu \mathbf {H} .}$$

強磁性体などの硬い磁石では、Mは磁場に比例せず、Hがゼロの場合でも一般的にゼロではありません（残留磁化を参照）。

磁気現象は磁場によって「媒介」される。電流や磁気双極子は磁場を生成し、その磁場は、磁場内に存在する他の粒子に磁力を及ぼす。

マクスウェル方程式は、定常電流の場合にはビオ・サバールの法則に簡略化され、これらの力を支配する場の発生と挙動を記述します。したがって、磁気は、電荷を帯びた粒子が運動しているときに常に現れます。例えば、電流中の電子の動き、あるいは場合によっては原子核の周りを回る電子の軌道運動などが挙げられます。また、量子力学的スピンから生じる「固有の」磁気双極子からも磁気が生じます。

電流や原子内を移動する電荷、そして固有の磁気双極子など、磁場を発生させる状況は、同時に磁場が作用し、力を生み出す状況でもあります。以下は移動する電荷に関する公式です。固有の双極子に働く力については、磁気双極子の項を参照してください。

荷電粒子が磁場Bを通過するとき、外積で与えられるローレンツ力Fを感じる。^{[ 24 ]}$${\displaystyle \mathbf {F} =q(\mathbf {v} \times \mathbf {B} ),}$$ どこ${\displaystyle q}$は粒子の電荷であり、${\displaystyle v}$これは粒子の速度ベクトルです。

これは外積なので、力は粒子の運動と磁場の両方に 垂直です。力の大きさは$${\displaystyle F=qvB\sin \theta \,}$$ どこ${\displaystyle \theta }$はvとBの間の角度です。

力ベクトルの方向は、右手の法則を使用して決定できます。$\displaystyle \mathbf {v} \times \mathbf {B} }$そして電荷の符号を用いて${\displaystyle q}$（負に帯電している場合は、力が親指の方向とは逆方向に働く。）

既知の磁石はすべて双極子であり、つまり「北極」と「南極」を持っています。これは、地球の磁場が磁石の極を地球のそれぞれの北極と南極、具体的には北磁極と南磁極の方向へ向ける力を加えることに由来します。磁石の北極は、別の磁石の南極に引き寄せられます。

磁場にはエネルギーが含まれており、物理システムはより低いエネルギー状態へと移行する。反磁性体を磁場中に置くと、磁気双極子は磁場とは逆の極性に整列する傾向があり、その結果、正味の磁場強度が低下する。強磁性体を磁場中に置くと、磁気双極子は印加された磁場に整列し、その結果、磁気ドメインの壁が拡大する。

生物の中には磁場を感知できるものがあり、これは磁気受容と呼ばれる現象である。生物の体内には強磁性体が存在するが、その磁気特性が特別な機能を持つのか、それとも単に鉄を含むことの副産物なのかは不明である。例えば、海洋軟体動物の一種であるヒザラガイは、歯を硬くするために磁鉄鉱を生成する。また、人間も体組織に磁鉄鉱を生成する。 ^{[ 28 ]}

磁気生物学は、磁場が生物に及ぼす影響を研究する学問であり、生物が自然に発生させる磁場は生体磁気として知られています。多くの生物は大部分が水で構成されており、水は反磁性体であるため、非常に強い磁場はこれらの生物を反発させる可能性があります。

1820年以降、アンドレ＝マリー・アンペールは直流電流間の力を測定する数多くの実験を行った。特に、彼は平行でない導線間の磁力も研究した。^{[ 29 ]}彼の研究の最終的な成果は、現在彼の名にちなんで名付けられている力の法則である。1835年、カール・フリードリヒ・ガウスは^{[ 12 ]} 、アンペールの力の法則は、その元の形ではクーロンの法則の一般化によって説明できることに気づいた。

ガウスの力の法則によれば、電磁力は$\mathbf F 1$点電荷によって経験される、$q_1$軌道と共に$\displaystyle \mathbf {r} _{1}(t)$別の点電荷の近傍で、$q2$軌道と共に$\displaystyle \mathbf {r} _{2}(t)}$真空中では、中心力に等しい。$${\displaystyle \mathbf {F} _{1}={\frac {q_{1}\,q_{2}}{4\,\pi \,\epsilon _{0}}}\,{\frac {\mathbf {r} }{|\mathbf {r} |^{3}}}\,\left(1+{\frac {|\mathbf {v} |^{2}}{c^{2}}}-{\frac {3}{2}}\,\left({\frac {\mathbf {r} }{|\mathbf {r} |}}\cdot {\frac {\mathbf {v} }{c}}\right)^{2}\right)}$$、 どこ${\textstyle \mathbf {r} =\mathbf {r} _{1}(t)-\mathbf {r} _{2}(t)}$電荷と電荷間の距離は${\textstyle \mathbf {v} ={\dot {\mathbf {r} }}_{1}(t)-{\dot {\mathbf {r} }}_{2}(t)}$は相対速度です。ヴィルヘルム・エドゥアルト・ウェーバーは、数多くの実験でガウスの仮説を確認しました。^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}ウェーバーの電気力学を用いることで、磁場やローレンツ力のない古典電気力学の非相対論的領域における静的および準静的効果を説明することが可能です。

1870 年以来、マクスウェルの電磁気学が発展し、電場と磁場が存在すると仮定している。マクスウェルの電磁気学では、実際の電磁力はローレンツ力を用いて計算でき、ローレンツ力はウェーバー力と同様に速度に依存する。しかし、マクスウェルの電磁気学は、準静的領域におけるアンペール、ガウス、ウェーバーの研究と完全には一致しない。特に、アンペールの元の力の法則とビオ・サバールの法則は、場を生成する導体ループが閉じている場合にのみ等価である。^{[ 33 ]}したがって、マクスウェルの電磁気学は、中心力から磁力を導き出すことができなくなったため、ガウスとウェーバーによる磁気の解釈との決別を表している。

古典物理学に基づく経験的な説明は定式化できるが、反磁性、常磁性、強磁性は量子論を用いてのみ完全に説明できる。^{[ 34 ] [ 35 ]} 1927年には、ウォルター・ハイトラーとフリッツ・ロンドン によって既に成功したモデルが開発されており、彼らは水素分子が水素原子、すなわち原子の水素軌道からどのように形成されるかを量子力学的に導いた。$uA$そして$uB$原子核AとBを中心とする（下記参照）。これが磁気につながることは一見明らかではないが、以下で説明する。

ハイトラー・ロンドン理論によれば、いわゆる二体分子${\displaystyle \sigma }$軌道が形成され、結果として得られる軌道は次のようになります。 $${\displaystyle \psi (\mathbf {r} _{1},\,\,\mathbf {r} _{2})={\frac {1}{\sqrt {2}}}\,\,\left(u_{A}(\mathbf {r} _{1})u_{B}(\mathbf {r} _{2})+u_{B}(\mathbf {r} _{1})u_{A}(\mathbf {r} _{2})\right)}$$

ここで最後の積は、最初の電子r ₁が第 2 原子核を中心とする原子水素軌道にあり、一方、第 2 電子が第 1 原子核の周りを回っていることを意味します。この「交換」現象は、同一の性質を持つ粒子を区別できないという量子力学的性質を表すものです。これは化学結合の形成だけでなく、磁性にも特有のものです。つまり、この点で交換相互作用という用語が生じます。これは磁性の起源に不可欠な用語であり、電気力学的双極子-双極子相互作用から生じるエネルギーよりも約 100 倍、場合によっては 1000 倍も強いものです。

スピン関数については${\displaystyle \chi (s_{1},s_{2})}$磁性の原因となるものについては、既に述べたパウリの排他原理、すなわち対称軌道（上記のように+符号を持つもの）には反対称スピン関数（−符号を持つもの）を乗じる必要があり、その逆もまた然り、という原理がある。したがって、次のようになる。 $${\displaystyle \chi (s_{1},\,\,s_{2})={\frac {1}{\sqrt {2}}}\,\,\left(\alpha (s_{1})\beta (s_{2})-\beta (s_{1})\alpha (s_{2})\right)}$$つまり、$uA$そして$uB$はそれぞれαとβに置き換えられる必要がある(最初の要素は「スピンアップ」、2 番目は「スピンダウン」を意味する)。また、符号 + は符号 − に置き換えられ、最後にr _{i は}離散値s _i (=  ± 1 ⁄ 2 ) に置き換えられる。したがって、次のようになる。${\displaystyle \alpha (+1/2)=\beta (-1/2)=1}$そして${\displaystyle \alpha (-1/2)=\beta (+1/2)=0}$「一重項状態」、つまり − 符号は、スピンが反平行であることを意味します。つまり、固体では反強磁性、二原子分子では反磁性となります。同極性化学結合（つまり、対称分子軌道、つまり + 符号の形成）を形成する傾向は、反対称スピン状態（つまり − 符号）ではパウリの排他原理によって自動的に生じます。一方、電子のクーロン反発、つまり電子が互いに反発し合おうとする傾向は、これら 2 つの粒子の反対称軌道関数（つまり − 符号）を生じさせ、対称スピン関数（つまり + 符号、いわゆる「三重項関数」の 1 つ）と相補的になります。したがって、スピンは平行になります（固体では強磁性、二原子ガスでは常磁性）。

後者の傾向は、鉄、コバルト、ニッケルなどの金属、および一部の希土類元素において支配的であり、これらは強磁性体である。前者の傾向が支配的な他のほとんどの金属は、非磁性体（例えば、ナトリウム、アルミニウム、マグネシウム）または反強磁性体（例えば、マンガン）である。二原子ガスもほぼ例外なく反磁性体であり、常磁性体ではない。しかし、酸素分子はπ軌道が関与しているため、生命科学にとって重要な例外である。

ハイトラー・ロンドンの考察は、磁気に関するハイゼンベルクのモデル（ハイゼンベルク 1928）に一般化することができる。

したがって、この現象の説明は本質的に量子力学のあらゆる微妙な点に基づいているのに対し、電気力学は主に現象論を扱う。

• エクスプロラトリアムのサイエンススナック – テーマ：物理学／電気と磁気 2013年4月7日にウェイバックマシンにアーカイブされました
• 磁気構造のコレクション – MAGNDATA 2023年9月30日にWayback Machineにアーカイブされました