磁石

磁束密度（磁場Bまたは単に磁場とも呼ばれ、通常はBで表される）はベクトル場である。空間内の特定の点における磁場Bベクトルは、次の2つの特性によって規定される。

1. その方向は、方位磁針の針の向きに沿っています。
2. その大きさ（強さとも呼ばれる）は、方位磁針がその方向にどれだけ強く向いているかに比例する。

SI単位系では、磁場Bの強さはテスラで表される。^{[ 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で表される）は、磁石の全体的な磁気特性を表すベクトルです。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極に向かっており^{[ 15 ]}、その大きさはこれらの極の強さと距離に関係しています。SI単位では、磁気モーメントはA・^m²（アンペア×メートル二乗）で表されます。

磁石は、自ら磁場を生成すると同時に、外部の磁場にも反応します。磁石が生成する磁場の強さは、任意の点において、その磁気モーメントの大きさに比例します。さらに、磁石を別の発生源によって生成された外部磁場に置くと、磁気モーメントを磁場と平行に方向付けるトルクが発生します。 ^{[ 16 ]}このトルクの大きさは、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向きに応じて、ある方向または別の方向に駆動する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、磁石にはトルクは発生しますが、正味の力は発生しません。^{[ 17 ]}

面積Aの円形の導線 に電流Iが流れている場合、その磁気モーメントの大きさはIAに等しい。

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値であり、通常はMで表され、単位はA / mです。^{[ 18 ]}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。これは、磁石の異なる領域が異なる方向と強さで磁化される可能性があるためです (たとえば、ドメインのため、後述を参照)。優れた棒磁石は、大きさ 0.1  A·m ^{2 の} 磁気モーメントと 1 cm ³、または 1×10 ⁻⁶  m ³の体積を持ち、したがって平均磁化の大きさは 100,000  A/m になります。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する。

多くの用途において、磁石には明確な北極と南極があると考える方が便利ですが、極という概念を文字通りに解釈すべきではありません。それは単に磁石の両端を指す表現にすぎません。磁石の反対側に明確な北極や南極の粒子があるわけではありません。棒磁石を2つに割って北極と南極を分離しようとしても、結果として得られるのは2つの棒磁石であり、それぞれに北極と南極の両方があります。しかし、磁極の概念は、永久磁石を設計する際に、専門の磁気技術者によって用いられています。

このアプローチでは、磁石内部の磁化の発散∇· Mを磁気単極子の分布として扱います。これは数学的な便宜上のことであり、磁石内部に実際に単極子が存在することを意味するものではありません。磁極分布が既知であれば、極モデルによって磁場Hが得られます。磁石の外部では、磁場BはHに比例しますが、内部では磁化をHに加える必要があります。内部磁荷を考慮に入れたこの方法の拡張は、強磁性の理論で用いられています。

もう一つのモデルはアンペールモデルで、すべての磁化は、材料全体にわたる微視的、または原子的な円形束縛電流（アンペール電流とも呼ばれる）の効果によるものです。均一に磁化された円筒棒磁石の場合、微視的束縛電流の正味の効果は、磁石が、円筒軸に垂直な局所的な流れの方向を持つ、表面の周囲を流れる巨視的な電流シートがあるかのように振る舞うことです。 ^{[ 19 ]}材料内部の原子の微視的電流は、一般的に隣接する原子の電流によって相殺されるため、表面のみが正味の寄与をします。磁石の外層を削り取っても磁場は破壊されませんが、材料全体にわたる円形電流による相殺され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ちらの方向に流れるかを示します。しかし、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。^{[ 21 ]}

磁石の北極は、磁石を自由に吊り下げたときに、北極にある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。 ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}実際には、磁石のどちらの極が北でどちらが南かを判断するために、地球の磁場をまったく使用する必要はありません。たとえば、1つの方法は、右手の法則で極を識別できる電磁石と比較することです。慣例として、磁石の磁力線は磁石の北極から出て、南極で再び入ると考えられています。^{[ 25 ]}

磁石という用語は通常、外部から磁場が印加されていない状態でも、自ら持続的な磁場を発生させる物体に用いられます。このような性質を持つ物質は限られています。しかし、ほとんどの物質は外部から磁場を印加されると磁場を発生させます。この現象は磁性として知られています。磁性にはいくつかの種類があり、すべての物質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特性は、物質の構造、特に電子配置によって大きく変化する可能性があります。さまざまな物質において、以下のような複数の磁気特性が観察されています。

• 強磁性体とフェリ磁性体は、一般的に磁性体と考えられている物質です。これらは磁石に強く引きつけられ、その引力は感じることができます。これらの物質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、従来の冷蔵庫用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や磁石などがあり、強磁性体と似ていますが、磁力は弱くなります。強磁性体とフェリ磁性体の違いは、磁気の項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。
• 白金、アルミニウム、酸素などの常磁性物質は、磁石の両極に弱く引きつけられます。この引力は強磁性物質の引力よりも数十万倍も弱いため、高感度な測定器を使用するか、非常に強力な磁石を使用しなければ検出できません。磁性流体は、液体中に微細な強磁性粒子が懸濁した構造をしていますが、磁化できないため、常磁性物質とみ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ことを意味します。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、磁石からさらに弱く反発されます。反磁性体の透磁率は真空の透磁率よりも小さいです。他の種類の磁性を持たないすべての物質は反磁性体です。これにはほとんどの物質が含まれます。通常の磁石による反磁性体への力は弱すぎて感じられませんが、非常に強力な超伝導磁石を使用すると、鉛片やネズミ^{[ 26 ]}などの反磁性体を浮遊させて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反発し、強い反磁性体です。

スピングラス、超常磁性、超反磁性、メタ磁性など、他にも様々な種類の磁性が存在する。

永久磁石の形状は、その磁気特性に大きな影響を与えます。磁石が磁化されると、内部に減磁場が発生します。名前が示すように、減磁場は磁石を減磁し、磁気特性を低下させます。減磁場の強さは、${\displaystyle H_{d}}$磁石の磁化に比例する${\displaystyle M}$そして形は、

${\displaystyle H_{d}=-N_{d}M.}$

ここ、${\displaystyle N_{d}}$これは減磁係数と呼ばれ、磁石の形状によって値が異なります。たとえば、磁石が球形の場合、${\displaystyle N_{d}={\frac {1}{3}}}$。

減磁係数の値は、磁石の形状に対する磁化の方向によっても異なります。球体はどの角度から見ても対称なので、減磁係数は1つの値しか持ちません。しかし、長い円筒形のような形状の磁石は、磁化がその長さに平行か垂直かによって、2つの異なる減磁係数を示します。^{[ 16 ]}

多くの物質は不対電子スピンを持ち、これらの物質の大部分は常磁性体です。スピンが互いに相互作用し、自発的に整列する場合、その物質は強磁性体（一般的には磁性体と呼ばれることが多い）と呼ばれます。規則的な結晶構造によってスピンが相互作用するため、一部の金属は鉱石などの天然状態では強磁性体です。これには、鉄鉱石（磁鉄鉱）、コバルト、ニッケル、そして希土類金属のガドリニウムとジスプロシウム（極低温時）が含まれます。このような天然の強磁性体は、磁気に関する最初の実験で使用されました。その後、技術の進歩により、磁性材料の利用範囲は拡大し、天然の磁性元素を基にした様々な人工製品が開発されました。

セラミック磁石、またはフェライト磁石は、酸化鉄粉末と炭酸バリウム／ストロンチウムセラミックの焼結複合材でできています。材料費と製造方法が安価であるため、さまざまな形状の安価な磁石（または携帯型AMラジオアンテナなどの電子部品に使用される非磁化強磁性コア）を容易に大量生産できます。これらの磁石は腐食しませんが脆いため、他のセラミックと同様に取り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、コバルトを鉄と少量の他の元素と組み合わせ、鋳造または焼結して作られます。焼結は優れた機械的特性を提供しますが、鋳造はより高い磁場を実現し、複雑な形状の設計を可能にします。アルニコ磁石は腐食に強く、フェライトよりも物理的特性が許容範囲ですが、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。^{[ 42 ]}

射出成形磁石は、様々な種類の樹脂と磁性粉末を組み合わせた複合材料であり、射出成形によって複雑な形状の部品を製造することが可能です。製品の物理的特性および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。^{[ 43 ]}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の上を通されます。これらの磁石は、回転するシャフト上に磁極が交互に上を向くように（N、S、N、S…）積み重ねて配置されています。これにより、プラスチックシートに磁極が交互に並んだ線状に押し付けられます。磁石を生成するために電磁気は使用されていません。極間の距離は約5  mm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。^{[ 44 ]}

粒界腐食の問題を起こしやすい磁性化合物（例：Nd ₂ Fe ₁₄ B ）に対しては、追加の保護効果が得られる。^{[ 43 ]}

希土類（ランタノイド）元素は、部分的に電子が占有されたf軌道（最大14個の電子を収容可能）を持っています。これらの電子のスピンを整列させることで非常に強い磁場が発生するため、これらの元素は価格が高くても問題にならない小型高強度磁石に使用されています。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、常磁性金属イオンを含む特定の分子が極低温で磁気モーメントを蓄積できることが発見されました。これらは、磁気ドメインレベルで情報を蓄積する従来の磁石とは大きく異なり、理論的には従来の磁石よりもはるかに高密度な記憶媒体を提供できる可能性があります。この方向で、現在、単分子磁石（SMM）の単層に関する研究が進められています。簡単に言うと、SMMの主な特徴は次の2つです。

1. 大きな基底状態スピン値（S）は、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。
2. ゼロ磁場分裂の異方性の負の値（D）

ほとんどのSMMはマンガンを含有しているが、バナジウム、鉄、ニッケル、コバルトのクラスターを含むものも存在する。近年、一部の鎖状系では、高温下でも長時間にわたって磁化が持続することが発見された。これらの系は、単鎖磁石と呼ばれている。

ナノ構造材料の中には、マグノンと呼ばれるエネルギー波を示し、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合体するものもある。^{[ 45 ] [ 46 ]}

エネルギー高等研究計画局（ARPA-E）は、代替材料の開発を目的とした重要技術における希土類代替（REACT）プログラムを後援した。2011年、ARPA-Eは希土類代替プロジェクトに3160万ドルを助成した。^{[ 47 ]}窒化鉄は、希土類を含まない磁石の有望な材料である。^{[ 48 ]}

2026年、研究者らは、希土類元素ではなく、豊富な3d遷移金属とホウ素を用いた高エントロピー（5元素以上の合金）永久ホウ化物磁石を発表した。この磁石は常温常圧で動作する。C16正方対称の結晶構造を採用している。磁石は組み合わせスパッタリングによって形成された。^{[ 49 ]}

現在​磁場強度を考慮すると、最も安価な永久磁石は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、酸化鉄と炭酸バリウムまたは炭酸ストロンチウムという安価な原材料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^{[ 43 ] [ 50 ] [ 51 ]}が開発され、低コスト永久磁石の有望な候補と考えられています。^{[ 50 ]}フェライト磁石よりも高い飽和磁化を持ちます。^{[ 50 ]}また、熱的に不安定になる可能性があるものの、より好ましい温度係数を持っています。^{[ 51 ]}

ネオジム鉄ホウ素（NIB）磁石は最も強力な磁石の一つです。これらの磁石は他のほとんどの磁性材料よりもキログラムあたりのコストは高いですが、その強力な磁場のおかげで、多くの用途でより小型で安価です。^{[ 52 ]}

温度感度は様々ですが、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、すべての磁性を失います。^{[ 37 ]}ただし、磁石は多くの場合、再磁化することができます。

さらに、一部の磁石は脆く、高温で破損する可能性があります。^{[ 53 ]}

使用可能な最高温度は、アルニコ磁石で540 ℃（1,000 °F）以上、フェライトとSmCoで約300 ℃（570 °F） 、NIBで約140 ℃（280 °F）、フレキシブルセラミックスでそれ以下ですが、正確な数値は材料のグレードによって異なります。^{[ 54 ]}      

多くの分野では、MKS（合理化）単位系またはSI （国際単位系）単位系が一般的に使用されています。ガウス単位系とCGS-EMUという他の2つの単位系が使用されることもあります。^{[ 56 ]}

すべての単位において、2種類の磁場BとH、および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を用いるのが便利である。

1. 磁束密度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 (電力会社が販売しているもの) を生成する磁場です。Bはまた、移動する荷電粒子 (テレビのブラウン管など) に偏向力を発生させます。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) に相当するため、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 10⁴ ^G に相当します。 ^{[ 57 ]}
2. 磁場Hは、SI 単位系ではアンペアターン毎メートル (A-turn/m) で表されます。ターンという単位は、電流が流れる導線によってHが発生する場合、その値が導線のターン数に比例するためです。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。^{[ 57 ]}
3. 磁化MはSI単位系ではアンペア毎メートル（A/m）で表される。CGSでは、 Mの単位はエルステッド（Oe）である。1 A/mは10 ⁻³  emu/cm ³に相当する。優れた永久磁石は、1メートルあたり100万アンペアもの大きな磁化を持つことができる。^{[ 58 ]}
4. SI単位系では、 B  = μ ₀ ( H  + M )の関係が成り立ちます。ここで、 μ ₀は空間の透磁率であり、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。^{[ 56 ]} (極アプローチでは、SI 単位系でμ ₀ Hが得られます。磁石B内の正しい磁場を与えるには、SI 単位系でμ ₀ M の項をこのμ ₀ Hに追加する必要があります。これは、アンペール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 でM  = χ Hの関係を満たします。ここでχは (無次元) 磁化率です。ほとんどの非磁性​​材料は比較的小さいχ (百万分の のオーダー) を持ちますが、軟磁性体はχ が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を満たす材料については、 B = μ ₀ (1 + χ ) H = μ ₀ μ _r H = μ Hと書くこともできます。ここで、μ _r = 1 + χは (無次元) 相対透磁率、μ =μ ₀ μ _rは透磁率です。^{[ 59 ]}硬磁性体と軟磁性体の両方は、ヒステリシス ループと呼ばれるものによって記述される、履歴に依存するより複雑な挙動を持ち、ヒステリシスループはB対HまたはM対Hのいずれかを示します。CGS では、M = χ Hですが、χ _SI = 4 πχ _CGS、μ = μ _{r です}。^{[ 56 ]}              

注意: ローマ字とギリシャ語の記号が十分でないこともあり、磁極強度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は磁極強度 (単位 A・m、ここで直立した m はメートルを表します) 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、一部の文献では透磁率に、他の文献では磁気モーメントに使用されています。ここでは、透磁率にはμ を、磁気モーメントにはmを使用します。磁極強度にはq _{m を}使用します。断面積Aの棒磁石で、軸に沿って均一な磁化Mがある場合、磁極強度はq _m  = MAで与えられるため、M は単位面積あたりの磁極強度と考えることができます。^{[ 60 ]}

磁石から遠く離れた場所では、その磁石によって生成される磁場は、ほぼ常に（良い近似で）その全磁気モーメントによって特徴付けられる双極子場によって記述されます。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。双極子場の特徴の1つは、磁場の強さ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。^{[ 56 ]}

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依存するようになります。形式的には、磁場は多重極展開として表現できます。双極子磁場、四重極磁場、八重極磁場などです。^{[ 61 ]}

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、一方の端に北極、もう一方の端に南極がある細長い棒磁石の場合、両端付近の磁場は、その極からの距離の二乗に反比例して減少します。^{[ 62 ]}