磁化

古典電磁気学では、磁化は磁性材料の永久または誘導磁気双極子モーメントの密度を表すベクトル場です。したがって、物理学者やエンジニアは通常、磁化を単位体積あたりの磁気モーメントの量として定義します。^[1]これは擬似ベクトルM で表されます。磁化は電気分極と比較することができ、電気分極は静電気学における電界に対する材料の対応する応答の尺度です。

磁化は、物質が磁場にどのように反応するか、また物質が磁場をどのように変化させるかを説明するもので、それらの相互作用から生じる 力を計算するために使用できます。

磁化の原因となる磁気モーメントの起源は、原子内の電子の運動から生じる微視的な電流、または電子または原子核のスピンのいずれかです。純磁化は、外部磁場に対する物質の反応によって生じます。

常磁性体は磁場内で弱い誘導磁化を持ち、磁場が除去されると磁化は消えます。 強磁性体とフェリ磁性体は磁場内で強い磁化を持ち、外部磁場がなくても磁化を持つように磁化することができ、永久磁石になります。磁化は必ずしも材料内で均一ではなく、異なる点間で変化することがあります。

磁化場またはM場は次の式に従って定義できます。 $${\displaystyle \mathbf {M} ={\frac {\mathrm {d} \mathbf {m} }{\mathrm {d} V}}}$$

ここで、は基本磁気モーメントで、 は体積要素です。言い換えると、Mフィールドは、関係する領域または多様体における磁気モーメントの分布です。 これは、次の関係によってわかりやすく説明できます。 ここで、m は通常の磁気モーメントで、三重積分は体積上の積分を表します。 これにより、Mフィールドは、同様の分極を持つ領域または多様体によって生成される 電気双極子モーメントp を決定するために使用される電気分極フィールド、またはPフィールドと完全に類似したものになります。 ここで、は基本電気双極子モーメントです。 ${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {m} }$${\displaystyle \mathrm {d} V}$$${\displaystyle \mathbf {m} =\iiint \mathbf {M} \,\mathrm {d} V}$$ $${\displaystyle \mathbf {P} ={\mathrm {d} \mathbf {p} \over \mathrm {d} V},\quad \mathbf {p} =\iiint \mathbf {P} \,\mathrm {d} V,}$$${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {p} }$

PとMを「単位体積あたりのモーメント」として定義することは広く採用されていますが、場合によっては曖昧さや矛盾が生じる可能性があります。^[1]

M磁場はSI単位でアンペア毎メートル（A/m）で測定されます。^[2]

磁場( B、H )、電場( E、D )、電荷密度( ρ )、電流密度( J )の挙動はマクスウェル方程式によって記述されます。磁化の役割については以下で説明します。

磁化は補助磁場Hを次のように 定義する。

${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{0}(\mathbf {H+M} )}$( SI量)

${\displaystyle \mathbf {B} =\mathbf {H} +4\pi \mathbf {M} }$（ガウス量）

これは様々な計算に便利です。真空透磁率 μ ₀は、近似的に、4π × 10 ⁻⁷  V・s /( A・m )。

多くの物質において、MとHの間には関係が存在します。反磁性体と常磁性体では、関係は通常線形です。

${\displaystyle \mathbf {M} =\chi \mathbf {H} ,\,\mathbf {B} =\mu \mathbf {H} =\mu _{0}(1+\chi )\mathbf {H} ,}$

ここで、χは体積磁化率、 μ は物質の透磁率と呼ばれます。磁場における常磁性体（または反磁性体）の 単位体積あたりの磁気ポテンシャルエネルギー（つまり磁気エネルギー密度）は、次の式で表されます。

${\displaystyle -\mathbf {M} \cdot \mathbf {B} =-\chi \mathbf {H} \cdot \mathbf {B} =-{\frac {\chi }{1+\chi }}{\frac {\mathbf {B} ^{2}}{\mu _{0}}},}$

その負の勾配は、単位体積あたりの常磁性体（または反磁性体）に対する磁力（つまり、力の密度）です。

反磁性体 ( ) と常磁性体 ( ) では、通常は であり、したがって です。 ${\displaystyle \chi <0}$${\displaystyle \chi >0}$${\displaystyle |\chi |\ll 1}$${\displaystyle \mathbf {M} \approx \chi {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}}$

強磁性体では、磁気ヒステリシスのため、MとHの間に 1 対 1 の対応はありません。

磁化の代わりに、磁気分極Iを定義することもできる（電流密度と混同しないように、記号J^{がよく使われる）。 [3]}

${\displaystyle \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {H} +\mathbf {I} }$（SI単位）。

これは電気分極と直接類似しています。したがって、磁気分極は磁化とは係数μ ₀だけ異なります。 ${\displaystyle \mathbf {D} =\varepsilon _{0}\mathbf {E} +\mathbf {P} }$

${\displaystyle \mathbf {I} =\mu _{0}\mathbf {M} }$（SI単位）。

磁化はアンペア/メートルの単位で表されますが、磁気分極はテスラの単位で表されます。

磁化Mは電流密度 Jに寄与し、磁化電流として知られる。^[4]

${\displaystyle \mathbf {J} _{\mathrm {m} }=\nabla \times \mathbf {M} }$

表面電流については次のようになります。

${\displaystyle \mathbf {K} _{\mathrm {m} }=\mathbf {M} \times \mathbf {\hat {n}} }$

したがって、マクスウェル方程式に入る全電流密度は次のように表される。

${\displaystyle \mathbf {J} =\mathbf {J} _{\mathrm {f} }+\nabla \times \mathbf {M} +{\frac {\partial \mathbf {P} }{\partial t}}}$

ここで、J _fは自由電荷の電流密度（自由電流とも呼ばれる）、2 番目の項は磁化からの寄与、最後の項は電気分極 Pに関連しています。

自由電流と時間依存効果がない場合、磁気量を記述する マクスウェル方程式は次のように簡約される。

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {\nabla \times H} &=\mathbf {0} \\\mathbf {\nabla \cdot H} &=-\nabla \cdot \mathbf {M} \end{aligned}}}$

これらの方程式は静電気の問題 と同様に解くことができ、

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {\nabla \times E} &=\mathbf {0} \\\mathbf {\nabla \cdot E} &={\frac {\rho }{\epsilon _{0}}}\end{aligned}}}$

この意味で、−∇⋅ M は電荷密度 ρに類似した架空の「磁荷密度」の役割を果たします（消磁場も参照）。

ナノスケールおよびナノ秒の時間スケールの磁化を考慮する場合、磁化の時間依存挙動が重要になります。材料内の個々の磁気モーメントは、単に印加磁場と整列するのではなく、印加磁場の周りで歳差運動を開始し、エネルギーが格子に伝達されるにつれて緩和して整列します。

磁化反転はスイッチングとも呼ばれ、磁化ベクトルをその最初の方向に対して180°（円弧）再配向し、ある安定した方向から反対の方向へ導くプロセスを指します。技術的には、これは現代のハードディスクドライブで使用されるような磁気データストレージプロセスに関連する、磁気における最も重要なプロセスの1つです。^[5]現在知られているように、金属磁石の磁化を反転させる方法はわずかしかありません。

1. 磁場の印加^[5]
2. スピンを持つ粒子ビームによるスピン注入^[5]
3. 円偏光による磁化反転^[6]、すなわち円偏光した入射電磁波

消磁とは、磁化の減少または除去である。^[7]これを行う1つの方法は、物体をキュリー温度以上に加熱することである。この温度では、熱変動が交換相互作用（強磁性秩序の源）を克服するのに十分なエネルギーを持ち、その秩序を破壊する。別の方法は、交流が流れる電気コイルから物体を引き抜き、磁化に反対する磁場を発生させることである。^[8]

消磁の用途の1つは、不要な磁場を除去することです。たとえば、磁場は携帯電話やコンピューターなどの電子機器に干渉したり、切削片を親材料にくっつけてしまうことで機械加工に干渉したりすることがあります。^[8]

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