†N極とS極から磁力線が延びている。磁石の周りに鉄粉(砂鉄など)を撒くとその様子がわかる。磁石を砕いても、それぞれのかけらにN極とS極ができる。数mmの磁石のかけらであっても、砕いた磁石同士はすべてくっつく。磁石を原子のサイズまで細かくしたとしても、原子1個にもN極とS極があり、磁力を持つ。電子1個にもN極とS極はある。電子はこれ以上に分割できないため、どんな磁石にも必ずN極とS極が存在することになる。N極だけあるいはS極だけの磁石は地球上に存在しないことになる。磁壁【じへき】(磁区と磁区の境界)は、材料によって立体的に様々な形をしている。ローレンツ顕微鏡を使えば磁壁を見ることができる。永久磁石(半永久的に磁力を失わないもの)になるためには、ほぼすべての原子磁石のN極とS極の向きが揃う必要がある。普通の鉄などは、通常原子磁石が区域に分かれて、区域ごとに異なる方向を向いている。その区域を磁区という。磁区の中では原子磁石の向きが揃っているため、磁区は磁石のように振舞う。その磁区同士のN極とS極が隣り合ってしまっているので、そこで磁力線が結ばれてしまい、物質の外に磁力線が延びず、結果として鉄はそのままの状態では磁石ではないわけだ。ところが、鉄を磁石にくっつけることにより、磁区すべての一時的に鉄の原子磁石の向きが揃う。そのため一時的に磁石になれる。放置すると、鉄原子の向きが徐々に変わり、また磁区を作り始め、最初の状態に戻り磁石ではなくなるわけだ。永久磁石は原子磁石が向きを変えるのを防ぐために、別の原子を混ぜ込んでいる。フェライト磁石の場合、炭素や酸素を混ぜ込んでいる。そのため、炭素の含有量が少ない軟鉄よりも、炭素の含有量が多い硬鉄【こうてつ】の方が、一時的にせよ磁力を長く保てる。永久磁石を加熱すると、磁力を失う。磁力を一旦失うと、冷ましても磁力は回復しない。この現象はフランスの物理学者ピエール・キュリーが発見した。磁力を失う温度をキュリー温度(キュリー点)という。この温度は磁力の組成によって異なり、例えばフェライト磁石のキュリー温度は約460°C、ネオジム磁石のキュリー温度は約310°Cである。加熱すると、原子磁石ははげしく運動してしまい、向きを制御していた原子を振り切って、磁区を作るように向きが変わってしまう。そのため、磁力を失うのである。磁石は加熱すると磁力を失ってしまうことは昔から知られていた。磁石に魔力や生命力のようなものが潜むと考えられた時代は、これを磁石の死などとも呼んでいた。磁力を回復させるには、加熱して原子が動けるようにした後で、他の磁石の磁力を利用して原子磁力を整列させたまま、冷やせばよいのである。これは磁石の作り方そのものである。実際に磁石を作るときは電磁石で整列させることが多い。このように磁石の性質を持たすことを着磁【ちゃくじ】と呼ぶ。天然の磁石が作られるときも同様の現象が起きている。噴火などで加熱された鉄分を含む岩石が冷める過程で、地磁気(地球の磁気)を受けるため、原子磁石が整列し、そのまま冷えて固まった結果、磁石ができる。雷が落ちて熱せられ、固まった際にできた天然磁石も存在する。弱い磁石は、熱する以外に叩くと磁力を失うことがある。叩いた衝撃で原子磁石の向きが変わったり、または叩くことで一瞬熱が発生してその熱で原子の向きが変わるためと考えられている。逆に叩いて弱い磁石を作ることもできる。針金を垂直方向に金槌で叩くと、原子の向きが変わり、地磁気の方向に原子磁石の向きが少し揃う。「磁石」は古くは「慈石」と表記された。砂鉄などを吸着する天然磁石(磁鉄鉱)の様子が、乳飲み子を抱く母の慈悲を連想させるからだといわれている。磁気を帯びていない磁鉄鉱を「玄石」とも呼んだ。これは磁鉄鉱の主成分である酸化鉄(マグネタイト)の黒色(玄色)に由来する。「マグネット」は磁石を意味する英語だが、古代ギリシアのマケドニアあるいは小アジアにあったマグネシアという地名が語源。天延磁石は英語で「ロードストーン」とも呼ばれている。†イタリアの鉄鋼会社連盟が製鉄100年を記念して販売した切手(2010年)は、鉄の粒子を含んだ特殊インクを使用して磁性を持っている。印刷面に鉄の微粉末が存在し、その剥落を防ぐために、チタンを含む塗料で覆われている。天然の磁石である磁鉄鉱の存在は、紀元前から知られており、不思議な力を持つ石だと珍重された。古代ギリシアの哲学者プラトンでさえ、磁石の力を神聖な力だと考えていた。方位磁石への応用1世紀頃から、磁鉄鉱を加工して作られた方位磁石で方位が調べられた。1世紀頃の中国では、レンゲ状に削った磁鉄鉱を使って方位を調べていたという記録が残されている。方位磁石の発達12世紀頃になると方位磁石が改良され、航海で利用できる羅針盤に発展する。この羅針盤は新大陸開拓に大きく貢献した。磁力の発見1600年にイギリスの医師ウィリアム・ギルバートによって、それまで混合されていた摩擦で起きる静電気の力と磁力の力を区別し、磁力が科学的に捉えられるようになる。電気と磁気の関係の発見19世紀になると電気と磁気の関係がわかり始める。磁気の正体がはっきりしてくると、さらに強い磁力を持つ磁石の開発がさかんに行われるようになった。1917年に本田光太郎が開発したKS鉱を皮切りに、様々な合成磁石が登場する。20世紀半ばになると、フェライト磁石が登場する。1983年には、2007年現在で最強の磁石であるネオジム磁石が登場する。磁石を大別すると次のように分類できる。弱く磁化され、かつ発生磁界の方向が逆になる物質さらに、細かく分けると次のようになる。磁性体の中には平常時でも内部磁界の方向が揃っているもの。硬化した鉄には、磁石を遠ざけても、磁界が残る。これを残留磁気という。釘を磁石にくっつけると、その釘は磁気を帯びます。この磁気が残留磁気である。硬鉄のように残留磁気が多く残る磁性体を硬質磁性体という。軟鉄のようにあまり残らない磁性体。合金を材料とする磁石。主成分とするフェライト磁石のこと。セラミック磁石とも呼ばれる。2種類以上の金属からなる金属間化合物である。通常の合金とは異なり、化合物に近い成分原始比を持つ。主成分の希土類の元素の違いからサマリウム系、ネオジム系(ネオジム磁石)などに分けられる。焼き入れ硬化法、即ち保持力を高めるために冷却過程でマルテンサイト組織という結晶組織を形成させた合金磁石。外部磁界を加えて磁気特性を向上させる(磁界中処理)。時効処理と呼ばれる最後の熱処理も極めて重要である。プレス成形した後に、電気炉で焼結して製造する。ネオジム・鉄・ボロン磁石には、溶融原料を高速回転ドラムに吹き付け、微細な薄片(リボン)として製造する急冷法もある。フェライト磁石、サマリウム・コバルト磁石、ネオジム・鉄・ボロン磁石など。材料を鋳造・圧延して製造される磁石。加熱した粉末合金を可塑押出法により、各種形状に加工して製造された磁石。いずれも、割れたり欠けたりしないので機械加工が可能である。鉄・クロム・コバルト磁石、白金・コバルト磁石、プラセオジム磁石(プラセオジム・鉄・ボロン磁石)、マンガン・アルミ磁石など。鉄が磁石に吸着する理由を簡単に言えば、鉄は眠った磁石といえるからである。磁石を近づけると鉄は眠りから起こされて(電磁誘導によって磁化され)、表面にN・S極を作り、磁石を引き合うのである。鉄と磁石が吸着するのは、磁石同士が引き合うことと根本的に同じである。鉄ではなくアルミなど、材質によっては磁石に吸着しない者もある。したものは元々眠った磁石ではない、即ち磁石になる資格はない材質と考えることができる。同じ形状の棒磁石と鉄を区別する方法としては、T状にすればよい。T状にして吸着すれば、縦棒側(A)が磁石、横棒側(B)が鉄ということになる。吸着しなければ、縦棒側が鉄、横棒側が磁石だと判断できる。鉄は眠った磁石で、磁石が近づくと起きて磁石と吸着しあうと述べた。眠った磁石には軟磁性材料と硬磁性材料に分類できる。取り去ると再び眠りに落ちて元の状態に戻るタイプ。起こされると目が冴えて、磁石を取り去っても磁化(残留磁化)を保持するタイプ。このタイプの材質は永久磁石として利用される。磁石に応答しない物質。自然界の多くの物質はこれに該当する。磁性をほとんど示さない弱磁性体なので、非磁性体として分類されることも多かった。反磁性体とは磁石を近づけると反発する物質のことである。1845年にファラデーによって反磁性体の存在が発見された。反磁性体は磁石同士の反発作用に比べてはるかに微弱である。反磁性体の例は次の通り。水、ビスマス、金、銀、石英、ベンゼンなど例えば、深さ2mの水に80テスラ*1の磁界を局所的に与えると、水は2つに割れてしまうことが理論的に計算できる。これをモーゼ効果という。最強の超伝導磁石でも20数テスラなので、今のところ80テスラを持続的に発生することは無理なので、実験で確かめることはできない。反磁性体の磁性は微弱なため、これまで産業的にもあまり利用できなかった。最近の研究により弱磁性体の液体を磁石によって自由に操ることができるようになった。これは硫酸銅水溶液とほぼ同比重の有機溶剤を重ねて2層構造にした装置である。硫酸銅水溶液も有機溶剤も単独では1テスラほどの磁界を加えても、その液面に目に見える変化は起こらない。ところが、これを2層に重ねてみると、1テスラ以下の磁界でも、2つの駅の界面を大きく変化させることができるのである。この現象をエンハンスト・モーゼ効果という。液体の組み合わせ、磁界の加え方でAとBの2つの液面が変化するのである。この現象のポイントは、同じ比重の液体同士であるという点である。重力の影響が少ないため、エンハスト・モーゼ効果は0.5テスラほどの磁界でも発生する。これは希土類磁石程度でも利用でき、装置の小型化が可能になることを意味する。鉄に磁石を近づけると、吸い付くのは誰でも知っていると思う。これは電子のスピンによって、鉄の内部に発生していた磁界の方向が、磁気誘導によって磁石の磁界の方向に揃えられたためである。これを「磁化された」という。電気の場合の静電誘導に近い現象といえる。鉄にコイルを巻きつけて電流を流したときも、コイルの電流が作る磁界の方向に鉄を磁化される。物質それ自体のうちに磁界を持っていないものは磁化はされない。常温で強い磁力を持つ金属は、鉄・コバルト・ニッケルである。鉄イオンも強い磁力を持つ。これらは電子磁石の向きが揃うことで、強い磁力を持つ。これを強磁性【きょうじせい】と呼ぶ。原子は電子と原子核から成り立っている。この電子は原子核の周囲を回っていると同時に自転(これをスピンという)もしている。電子は負の電荷を持つキャリアなので、それが運動すれば電流が流れ、磁界が生じる。このうち電子が原子核の周囲を回ることによって、発生する磁界はごく小さく、スピンによる磁界の1,000分の1程度である。したがって、磁気の一番の源は電子のスピン運動にあるといえる。電子は互い違いの向き、即ちN極・S極を交互に、隣り合う。ところが、内側から3番目の電子殻であるM殻の一部の席(M殻の中の内側から3番目)は、電子同士が離れた場所にあるので、N極を上向きにした電子(アップスピン)が隣り合って位置することができるのである。アップスピンの電子の数がダウンスピンの電子の数より多い分が磁石として働くわけである。鉄イオン鉄原子より3つ原子が少ない。鉄イオンはM殻の3番目の軌道にN極が上向きの電子が5つ多くあるため、最も強い磁力を持つ。鉄原子M殻の3番目の軌道にN極が上向きの電子が4つ多くあるため、強い磁力を持つ。コバルト原子M殻の3番目の軌道にN極が上向きの電子が3つ多くあるため、強い磁力を持つ。ニッケル原子M殻の3番目の軌道にN極が上向きの電子が2つ多くあるため、強い磁力を持つ。銅原子N殻まで持つ原子M殻の3番目の軌道にN極が上向きの電子と下向きの電子が同数あるため、全体として磁力を持たない。磁石の磁力に関係するのは、電子磁石の向きだけではない。金属や結晶構造を取ったときに、原子がどのように並ぶかということも関係してくる。鉄の場合は結晶構造の関係上、それらを構成する原子磁石の向きがそろうと、強い磁力を持つのである。原子核は弱い磁力を持つ。電子が電子殻の中で原子核の回りを周るために起きる磁力もある。磁石による鉄の吸着力を最大限に利用するためにしばしばヨーク(継鉄【けいてつ】)が用いられる。身近な例だと冷蔵庫などに利用されるマグネット止め具などである。磁界の強さが増すにつれて磁性体の磁化の強さも増すが、やがて頭打ちになり磁気飽和の状態になる。磁性体を磁気飽和させた後、磁界をゼロにしたときに残るのが残留磁束密度である。逆向きの磁界を加えて磁束密度をゼロにしたとき、その磁界の強さを保持力という。正負の磁界を加えて、磁性体の磁束密度の変化の過程をグラフ化したものがヒステリシスループである。保持力が大きいだけでなく、ヒステリシスループが角形のS字になればなるほど、最大エネルギー積が大きくなり、強力な磁石となる。電磁石は電気から磁力を生み出すが、逆に磁石(磁力を持つもの)から電気を生み出すこともできる。ヘッドそのもの、磁気ヘッドの位置調整に使われる。発電機(4767d)。