第 1 章

こんなところにも磁性体が

第 1 章は，出口からのアプローチです．すなわち，私がガイドとな

って，身近にある磁性体を見つけながら，そこに潜んでいる『磁気物性』

と『まぐね語』を一つひとつ解き明かしていく散策に出かけます．さあ

スタートです．

1 .1 クルマと磁性体

エコカーとして電気自動車 EV

やハイブリッドカー HV が注目さ

れています．EV , HV では動力源に

モーターが使われます．EV に限ら

ず自動車には、図 1.１に示すよう

にたくさんのモーターが使われて

います．窓の開閉，パワーステア

リング，ワイパー，ブレーキ，ミ

ラー等々，高級車では 100 個もの

モーターが使われています．この

ほかにも磁性体は，センサー，トランスミッション，バルブなどにも使

われています．

図 1 .2 はブラシレス・モーター

の仕組みを模式的に描いたもので

す．中央には永久磁石という磁性

体が回転子として使われています．

ローターを多数の固定子が取り囲

んでいます．固定子は磁性体にコ

イルを巻いた電磁石です．電磁石

に流す電流を，隣の電磁石に電子

回路によって次々に切り替えるこ

図 1 . 1 ハ イ ブ リ ッ ド カ ー に は 多 数 の 磁

性 体 が 使 わ れ て い る 日 立 金 属 の サ イ ト

( h t t p : / / w w w . h i t a c h i . c o . j p / e n v i r o n m e n t / s h

o w c a s e / s o l u t i o n / m a t e r i a l s / n e o m a x . h t m l ）

を 参 考 に 作 図

図 1 . 2 ブ ラ シ レ ス D C モ ー タ ー の 仕 組

み の 模 式 図 T D K の サ イ ト

( h t t p : / / w w w . t d k . c o . j p / t e c h m a g / n i n j a / d a a 0

0 2 5 3 . h t m ) を 参 考 に 作 図

とによって電磁石が発生する磁界を移動させ，磁界に回転子がついてい

くことで回転します．

永久磁石としては、日本で開発されたネオジム磁石がつかわれていま

す 。 こ の 磁 石 は 、 レ ア ア ー ス で あ る ネ オ ジ ム (Nd)と 鉄 (Fe)の 化 合 物

NdFe 2 B 1 4 を主成分とするもので、温度特性を改善する目的でディスプ

ロしウム (Dy)など他のレアアースが添加されています。磁力の強さを表

すエネルギー積 BHmax が一番高く、小型で性能のよいモーターが作れ

るのです。近年、世界最大の供給国である中国の生産調整によってレア

アースが高騰して、マスコミを賑わせていることはご存じだと思います。

永久磁石にちょっとやそっと外部磁界を加えても N・S をひっくり返

すことができませんよね。このように磁化反転しにくい磁性体を かたい

磁性体（ハード磁性体）といいます。磁性体のかたさを表す尺度として、

N・ S を反転させるために必要な磁界の強さ『保磁力』を使います。

一方、固定子の電磁石においてコイルを巻くための磁心（コア）は、

モーターの外枠（ヨーク）に取り付けられています。コアやヨークに使

う磁性体は、電流によって発生する磁界によって直ちに大きな磁束密度

が得られる磁性体でなければなりません。このためには、保磁力が小さ

く、比透磁率μ r の大きなやわらかい磁性体 (ソフト磁性体 )が求められ

ます 1。

モーター用のソフト磁性体としては、小型のものにはパーマロイ（鉄

とニッケルの合金）が、大型のものにはケイ素鋼板（鉄とケイ素の合金）

が使われます。

1比透 磁 率 ：コイルが作る 磁界を H とすると、 磁性体 がない とき 磁束密度 B

は B=μ 0 H で与 えられ ますが 、磁 性体があ ると磁 束は比 透磁率 倍 になりま す。

式で書く と B=μ rμ 0 H で 表され ます。

1 .2 コンピュータと磁性体

コンピュータの大容量記憶を受け持つ

ハードディスク (HDD)には、図 1.3 に掲

げるように多数の磁性体が活躍していま

す。このうち回転する磁気記録媒体（円

盤状なので磁気ディスクと呼ばれる）で

は、図 1.4 に示すように、ディジタルの

情報を NSNS・・・という磁気情報の列

（トラックと呼ばれる）として円周上に

記録されています。図 1 .5 に模式的に示す

ように、永久磁石が並んでいます。一度

NS の向きを記録したら、変わらないこと

が必要ですから、磁気的にかたい磁性体

（ハード磁性体） が使われま す。ただ し、

永久磁石とちがって、磁気ヘッドの磁界に

よって NS の向きを反転できないと記録で

きませんから、適当な保磁力をもつ磁性体が

使われます。よく使われるのは、コバルト

(Co)とクロム (Cr )と白金 (P t )の合金の多結

晶薄膜です。磁性というと鉄が思い浮かびま

すが、 HDD の記録媒体に鉄が使われていな

いのはビックリですね。最近の高密度 HDD

には、日本で発明された垂直磁気記録方式が

使われていますが、このための記録媒体には

裏打ち層という磁束の通り道がつけてあり

ますがこれにはソフト磁性体がつかわれています。

磁気ディスクに磁気情報を書き込んだり、記録された磁気情報を読み

出したりするのが磁気ヘッドです。磁気ヘッドは可動のヘッドアセンブ

リ（ジンバルと呼ばれる）の先のスライダーに取り付けられており、磁

気ディスクの数ナノメーター上空に浮上しています。磁気情報をディス

図 1 . 4 垂 直 磁 気 記 録 さ れ た

記 録 磁 区 の MF M 像 (中 央

大 学 二 本 正 昭 先 生 の ご 厚

意 に よ る )

図 1 . 5 磁 気 記 録 の 模 式 図

図 1 . 3 パ ソ コ ン の ハ ー ド デ ィ ス

ク ド ラ イ ブ ( H D D )に は 、記 録

媒 体 と し て ハ ー ド 磁 性 体 が 、

記 録 ヘ ッ ド に は ソ フ ト 磁 性

体 が 使 わ れ て い る

(図 の 出 典 ： 佐 藤 勝 昭 「 理 科

力 を き た え る Q &A」 p 1 0 1 )

ヘッド位置調整用

アクチュエータ

スピンドル

モーター

磁気ヘッド

磁気ディスク

クの磁性体に書き込むには、マイクロメータサイズの小さな電磁石を使

います。電磁石のコイルも薄膜でつくられているのです。コイルで発生

した磁界を磁気ディスク媒体に伝えるための磁心 (コア )としては、ソフ

ト磁性体の薄膜が使われます。記録されるビットの円周方向のサイズは

数十 nm という小ささなのでヘッドにはナノメートルの加工精度が要

求されます。

磁気ディスク媒体に記録された磁気情報を電気信号に変えて読み出

すために以前はコイルが使われていましたが、 1990 年代の半ばから、

磁気の強さを電気抵抗の変化を通して電気信号に変換する「磁気抵抗

(MR)素子」が使われます。この素子には、ノーベル物理学賞受賞で有

名な巨大磁気抵抗効果 (GMR)、あるいは、トンネル磁気抵抗効果 (TMR)

が使われます。MR 素子には、極めて薄い非磁性体をソフト磁性体では

さんだ多層膜が使われています。GMR、および、TMR 効果については、

第４章で詳しく述べます。

HDD には、磁気ディスクと磁気ヘッドのほか、ディスクを高速回転

させるためのスピンドルモーター、磁気ヘッドを移動させて指定された

番地に位置決めするためのアクチュエータにも磁性体が使われていま

す。

1 .3 変圧器（トランス）

交流の電圧を上げたり下げたりするた

めの仕掛けが変圧器（トランス）です。

図 1.6 に示すように、トランスにはコア

（磁芯）と呼ばれる軟磁性体に 1 次コイ

ルと 2 次コイルの 2 つのコイルが巻いて

あります。 1 次コイルに交流電圧を加え

るとコア内に交流磁束が発生、 2 次コイ

ルはこの交流磁束による磁気誘導で、巻

き数比に応じた交流電圧を出力します。

コアには、１次電流に磁束が追従するよ

図 1 . 6 柱 上 ト ラ ン ス に は 磁 心 と

し て ソ フ ト 磁 性 体 が 使 わ れ

て い る 中 部 電 力 の サ イ ト

( h t t p : / / w w w . c h u d e n . c o . j p / k i d s / k i d

s _ d e n k i / h o m e / h o m _ k a k u / i n d e x . h t m

l ) を 参 考 に 作 図

うに磁気的に軟らかいソフト磁性体が使われます。トランスでは磁性体

のヒステリシスや渦電流によってエネルギーが熱として失われるので、

保磁力が小さく、電気抵抗率の高い材料が好まれます。このため、積層

珪素鋼板やフェライト（絶縁性の鉄の酸化物）が使われます。電柱の上

に灰色の円筒が乗っていますが、あの円筒の容器には油の中にトランス

が入っています。油は絶縁を保つとともに、トランスの熱を外に逃がす

ためのものです。

1 .4 光ファイバー通信と磁性体

家庭にまで光ケーブルが敷かれ、私たちは高速のインターネット通信

やディジタルテレビジョン放送を楽しめるようになりました。光ケーブ

ルには光ファイバーが使われ、大量のディジタル情報を光信号として伝

送しています。光ファイバー通信の光源は半導体レーザー ( LD)です。

レーザー光はディジタルの電気信号のオンオフにしたがってピコ秒と

いう短い時間で点滅しています。

もし通信経路のどこかから反射して戻ってきた光が LD に入るとノ

イズが発生して信号を送ることができなくなります。これを防ぐために、

使われるのが、図 1.7 に示す光を一方通行にして戻り光を LD に入らな

くする光アイソレーターです。これには、通信用の赤外光を透過する希

土類鉄ガーネットという磁性体の磁気光学効果（ファラデー効果）が使

われています。

図 1 . 7 光 フ ァ イ バ ー 通 信 に お い て 戻 り 光 が 半 導 体 レ ー ザ ー に 入 る こ

と を 防 ぐ た め の 光 ア イ ソ レ ー タ ー に は 、 通 信 用 赤 外 線 に 対 し て

透 明 な 磁 性 体 Y I G が フ ァ ラ デ ー 回 転 子 と し て 使 わ れ て い る

Q＆ A コーナー

ハード磁性体、ソフト磁性体

Q1 .1 :身の回りには、ずいぶんたくさんの磁性体が使われているの

ですね。ところで、ハード磁性体、ソ フト磁性体という話の中ででて

きた磁性がかたいとかやわらかいという表現がよくわかりません。

A1 .1 :まぐねの国では、磁性

体に磁界を加えたとき、弱い磁

界でも磁化の反転（Ｎ・Ｓのひ

っくり返り）が起きるなら「や

わらかい」、強い磁界を与えな

いと磁化が反転しないとき「か

たい」と表現します。これを説

明するには磁気ヒステリシス

の知識が必要です。

図 1.8 は、磁性体を特徴付

けるヒステリシス曲線です。横軸は、外部磁界 H の強さ、縦軸は磁

化 M の大きさを表しています。くわしくは第 3 章に説明しますが、

磁化 M が反転する磁界 H を保磁力 Hc と呼び磁性体の「かたさ」を

表します。図において、永久磁石材料であるハード磁性体 SmCo5 は

磁化を反転させるのに 200 万 A/m(約 25 kOe)もの磁界が必要なの

でかたいのですが、ソフト磁性体センデルタでは地磁気の大きさより

小さい 10 A/m（約 0.13 Oe）で簡単に反転するくらい軟らかいこ

とがわかります。

図 1 . 8 ハ ー ド 磁 性 体 S m C o 5 と ソ フ ト 磁

性 体 セ ン デ ル タ の 磁 気 ヒ ス テ リ シ ス 曲

線 佐 藤 勝 昭 編 著 「 応 用 物 性 」 (オ ー ム 社 ) p . 2 0 8

図 5 . 1 0 に よ る

永久磁石

Q1 .2：モーターのところで永久磁石としてネオジム磁石のことが

出ましたが、ほかにどのような磁石があるのか 、ネオジム磁石はほ

かに比べてどれほど強いのか教えてください。

A1 .2：磁石（永久磁石）を販売しているある会社の製品一覧をみ

ると、 ネオジム Nd 2 Fe 1 4 B 、サマコバ SmCo 5、フェライト

(BaFe 1 2 O 1 9 )、 アルニコ（ FeA lN iCo) というのが書かれています。

ネオジム磁石はレアアース Nd と鉄とホウ素の金属間化合物、フェラ

イトは鉄の酸化物です。サマコバの主成分は鉄ではありません。

図 1.9 は、永久磁石の性能指数であるエネルギー積 BHmax（磁石

が給えることのできる最大の磁気エネルギーで、 B-H ヒステリシス

曲線の面積に相当）変遷を表すグラフです。ネオジム磁石の登場でい

かに飛躍的に向上したかがわかるでしょう。

図 1 . 9 永 久 磁 石 の エ ネ ル ギ ー 積 B H m a x の 変 遷

佐 藤 勝 昭「 理 科 力 を き た え る Q & A」（ ソ フ ト バ ン ク ク リ エ イ テ ィ ブ 、2 0 0 9）p . 9 5

の 図 「 磁 石 特 性 の 推 移 」 に 加 筆

磁界

Q1 .３：ヒステリシス曲線の横軸は磁界だと説明されましたが、磁場

とは違うのですか？また、 A/m とか Oe とかいう単位がよくわかりま

せん。

A1 .３ : まぐねの国に入って、まず戸惑うのが、表記や単位が統一

されていないことです。表記が学問体系によって異なる場合もありま

す。例えば、 magnet ic f i e ld という英語ですが、電気系では磁界と

訳し、物理系では磁場と訳すなどの違いがありますが、同じことです。

さらには、磁界の単位も、国際標準では、ＳＩ系の [A/m] (アンペ

アパーメートル )を使うことが推奨されていますが、いまも多くの書

物では cgs-emu の [Oe] (エルステッド )を使っていたりします。A/m

と Oe の関係は

1[Oe]=1000/4[A/m]=79 .7[A/m]です。逆に

1[A/m]=4 /1000[Oe]=0 .01256[Oe]です。

また、磁束密度 B の単位である SI 系の [T] (テスラ )、あるいは

cgs-emu 系の [G] (ガウス )を磁界の単位として使うこともよく行わ

れます。電磁気学には、EH 対応系 (電界 E、電束密度 D、磁界 H、磁

束密度 B の 4 つのパラメータを使う )と EB 対応系 (電界 E、電束密度

D、磁界 B の３つのパラメータを使う )があります。 EB 対応系では、

EH 対応系の H を使わないで磁束密度をあらわす B を用いるのです。

B は SI と cgs の換算が簡単（ 1[T]=10000[G]）なので、こちらを

使うのが便利だということもあって磁界を [T]で表すのです。

この本では、 EH 対応の S I 系を使いますが、文献との比較のとき

など必要に応じて cgs-emu を使うこともあります。

Q1 .４： なぜ磁界を A/m と電流であらわすのですか？

A1 .４ :はじめ、磁界はクーロンの法則で力によって定義されていま

した。図 1 .10(a)に示す距離 r だけ離れた磁荷 q 1 と磁荷 q 2 の間に

働く力 F は、磁気に関するクーロンの法則

F=kq 1 q 2 /r 2 (1 .1 )

で与えられます。k は定数です。q 1 q 2 が

同符号なら反発し、異符号なら引き合いま

す。

図 1.10(b)に掲げるように、磁極 q 1 が

つくる磁界 H 中に置かれた磁極 q 2 に働く

力 F は F=q 2 H で与えられるので、 q 1 のつ

くる磁界は

H=kq 1 /r 2 (1 .2 )

で表されます。

ガウスの定理により、半径 r の球面上の

全磁束は中心の磁荷に等しいので、

4r 2 B=q 1 となり、磁界は

H=q 1 /4 0 r 2 (1 .3 )

で表されるのでクーロンの式の係数 k

は k=1/4 0 であることがわかりました

2。

単磁極が存在しないのに、それを使っ

て磁界を定義するのは合理的ではありま

せん。そこで注目したのが電流のつくる

磁界です。図 1.11 において P 点の磁界

はビオサバールの法則によって

H=B/ 0 = ( I /2r ) (1 .4 )

です。つまり、１ [A]の直線電流から 1/2 [m]隔てた点につくる

磁界は 1[A/m]となります。 1[A]の電流が作るリング状の磁界にそ

って、磁荷を一周させたときの仕事が 1[J]だったとき、磁荷は 1

[Wb]と定義します。磁束密度 B は、磁界に垂直に流れる 1[A]の電流

の 1[m]あたりに作用する力が 1[N]となるとき B=1[T]と定義されて

います。

2 0 は真 空の透 磁率で 0 = 4×1 0 - 7 [H /m ] です。

B

I

図 1 .11 電 流 に よ る 磁

界 の 定 義

r

P

( a ) 2 つ の 磁 荷 q 1 と q 2

の 間 に 働 く 力

( b ) q 1 に よ る 磁 界 H が

q 2 に 力 を 与 え る と 考

え る

図 1 . 1 0 磁 界 を 力 に よ

っ て 定 義 す る

磁化

Q1 .5 :図 1.8 のヒステリシス曲線の縦軸の磁化という言葉がいま

ひとつピンときません。磁化とはなんですか。

A1 .5 :磁性体に磁界 H を加えたとき、図 1 .12 (a )に示すようにそ

の表面には磁極が生じます。つまり磁性体は一時的に磁石のようにな

りますが、そのとき磁性体は磁化されたといいます。

磁性体の中には図 1.12(b)に矢印で示す磁気モーメントがたくさ

んあります。磁気モーメントについては Q6 で説明しますが、矢の先

が N、後ろが S であるような原子サイズの磁石だと考えてください。

単位体積内の磁

気モーメントのベ

クトル和をとった

ものを磁化 3といい

ます。磁界を加える

前に磁気モーメン

トがランダムに向

いておれば、ベクト

ル和つまり磁化 M

はゼロですが、磁界を加えると磁化はゼロでない値をもち、 (a )のよ

うに N 極と S 極が誘起されるのです。

k 番目の原子の１原子あたりの磁気モーメントを k とするとき、

磁化 M は式

M= k (1 .5 )

で定義されます。和は単位体積について行います。 Q1.6 で述べる

ように磁気モーメントの単位は [Wb m]ですから、磁化の単位は体積

[m 3 ]で割って [Wb/m 2 ]となります。これは磁束密度 B の単位である

[T]=[Wb/m 2 ]と同じです。

3『磁化 』の代 わりに 、電 気分極 にならっ て、『磁 気 分 極 』という用語を 使っ

ている教 科書も ありま す。

図 1 . 12 磁 化 は 単 位 体 積 あ た り の 磁 気 モ ー メ

ン ト と し て 定 義 さ れ る 出 典 ： 高 梨 弘 毅 「 磁 気 工 学 入 門 」（ 共 立 出 版 , 2 0 0 8） p 1 0、

図 1 . 7 , 図 1 . 8

( a ) ( b )

磁気モーメント

Q1 .6 :磁気モーメントを説明してください。

A1 .6 :電気の場合、 +q と -q の電荷のペア距離 r だけ離れていると

き、電気双極子モーメントは qr であらわされます。

一方、磁気については、電荷と違って単磁荷はありませんから、磁

極は必ず、N・ S の対で現れます。そこで、仮想的な磁荷のペア +q と

-q を考え、磁荷間の距離 r を無限に小さくしても m=qr は有限な値

を保つと考えます。必ず N・ S が対で現れるなら

m=qr (1 .6 )

というベクトルを磁性を扱う基本単位と考えることが出来ます。こ

れを磁気モーメントと呼び矢印で表します。単位は [Wb・ m]です。

図 1.13 に示すように一様な磁界 H 中の磁気モーメント m=qr を置

いたとき、磁気モーメントに働くトルク T は磁界とモーメントのな

す角を として次式で表されます。

T=qH r s in=mH s in (1 .7 )

磁気モーメントのもつポテンシャルエネルギー E は、トルクを に

ついて積分することによって

E= Td= mH s in d=1-mHcos (1 .8 )

となりますが、ポテンシャルの原点はどこにとってもよいので

E=-m H と磁気モーメントと磁界のベクトル内積で表すことができ

ます。 m が磁性の最小単位である磁気モーメントです。単位は

E[J]=-m[Wb m]×H[A/m]

第 2 章に述べるように、原子には、この磁気モーメントがつくる

図 1 . 1 3 仮 想 的 な 磁 石 の 微 細 化 の 極 限 が 磁 気 モ ー メ

ン ト と な る

Ｓ

Ｎ

r 磁気モーメント

m=qr [Wbm]

-q [Wb]

+q [Wb]

Ｓ

Ｎ

r 磁気モーメント

m=qr [Wbm]

-q [Wb]

+q [Wb]

磁 界 H

のと等価な磁界をつくりだす回転電流が存在すると考えます。原子で

は電子の回転運動が角運動量量子 L で決まるので、回転電流の代わり

に、角運動量量子数で記述します。

磁束密度 B と磁化 M

Q1.7 : 磁化曲線の縦軸として磁化 M ではなく、磁束密度 B が使われ

ている図がありますが、 B と M の関係を教えてください。

A1 .7 : 図 1.14 に示すように磁界 H のあるとき、真空中の磁束密

度は 0 H ですが、磁化 M の磁性体

の中の磁束密度 B は、真空中の磁

束密度に磁化 M による磁束密度 M

を加えたものになります。

すなわち、

B= 0 H+M (1 .9 )

と表されます 4。磁化 M が外部

磁界 H に比例するとき、その比

χ =M/ 0 H (1 .10)

を磁化率 ( suscep t ib i l i t y )と呼びます。物理の分野では帯磁率と呼

ぶことがあります。磁化率を使うと、上の式は B= 0 (1+χ )H と書き

直すことができます。一方、電磁気学で学んだように B と H の関係

は比透磁率 r を用いて B= r 0 H と表せますから、比透磁率は磁化率

を用いて

4 B= 0 (H+M )という 表し方 もあ ります。 この場 合、 M の 単位は [ A /m ]です。

図 1 . 1 4 ( a ) 真 空 中 と ( b ) 磁 化 M の 磁 性 体 に お け る 磁 束 密 度 B

( a )真 空 中 (b )磁 性 体 が あ る と き

図 1 .15 B-H 曲 線 と M-H 曲 線

と で は 保 磁 力 が 異 なる

出 典 ： 高 梨 弘 毅 「 磁 気 工 学 入 門 」

図 2 . 8 p . 4 5 (一 部 改 変 )

r=1+χ (1 .11)

と書けます。

磁化曲線にヒステリシスがあるときは、図 1.15 のように M-H 曲

線と B-H 曲線では保磁力が異なります。M-H における保磁力を MHc、

B-H における保磁力を BHc と区別して書くことがあります。

磁性体

Q1 .８ : 磁性体という言葉を説明なしに使っていましたが、磁性につ

いて説明してください。

A1 .8 : 磁性とは、物質が磁界の中に置かれたときにおきる磁気的

な変化のしかたを表すことばです。どんな物質もなんらかの磁性を示

します。たとえばヒトの体でも、水分子の H+(プロトン )の核磁気モ

ーメントが強磁界中で磁気共鳴することを用いて MRI という診断が

行われていることはご存じですね。強磁界中に置くとリンゴも浮き上

がります。このように、どんな物質も磁性をもつのです。表 1.1 に

示すように、磁性は、反磁性、常磁性、強磁性、フェリ磁性、反強磁

性、らせん磁性、ＳＤＷ (スピン密度波 )、傾角反強磁性などに分類さ

れます。

表 1.1 磁性の分類

反磁性 (d iamagnet i sm)

銅 な ど 導 電 性 の 物 体に 磁 界

を 加 え る と 、物 質 内 に回 転 す る

電 流 が 生 じ て 、磁 界 の変 化 を 弱

め よ う と し ま す 。こ のよ う な 性

質 を 反 磁 性 と 呼び ま す。積 算 電

力 計 に は こ の 性 質 が使 わ れ て

い ま す 。超 強 磁 界 中 でリ ン ゴ が

浮 上 す る の も リ ン ゴが 反 磁 性

を 示 す か ら で す 。

常磁性

(paramagnet i sm)

ル ビ ー （ ク ロ ム を 含む 酸 化

ア ル ミ ニ ウ ム ）の よ うに 遷 移 金

属 を 含 む 絶 縁 物 の 多く は 、ラ ン

ダ ム に 向 い て い る磁 気 モ ー メ

ン ト を 持 って お り 、強い 磁 界 を

加 え る と 磁 界 方 向 に向 き を 変

え て 、磁 界 に 引 き つ けら れ る 性

質 、常 磁 性 を 持 ち ま す。液 体 酸

素 も 常 磁 性 を も つ ので 図 の よ

う に 磁 石 に 引 き 寄 せら れ ま す 。

バ ナ ジ ウ ム 、 白 金 など の 金

属 に お い て は 、自 由 電子 が 起 源

の パ ウ リ の 常 磁 性 と呼 ば れ る

常 磁 性 が 見 ら れ ま す。

強磁性

( f er romagnet i sm)

鉄 や コ バ ル ト の よ うに 磁 界

を 加 え な く て も 磁 気モ ー メ ン

ト の 向 き が そ ろ っ てい て自 発

磁 化 を も って い る 物 質 は強 磁

性 体 と 呼 ばれ ま す 。ハー ド デ ィ

ス ク や 電 気 自 動 車 のモ ー タ ー

に 使 わ れ る の は 強 磁性 体 で す 。

フェリ磁性

f e r r imagne t i sm )

隣 り 合 う 原 子 の 磁 気モ ー メ

ン ト が 逆 向 き だ が 大き さ が 違

う た め 全 体 で は 正 味の 磁 化 が

残 っ て い る 磁 性 。フ ェラ イ ト や

磁 性 ガ ー ネ ッ ト は その 代 表 格

で す 。

反強磁性

( an t i f e r romagne t i sm)

隣 り 合 う 原 子 の 磁 気モ ー メ

ン ト が 逆 向 き で 全 体で は 磁 化

が 打 ち 消 さ れ て い る磁 性 。磁 化

を も つ 副 格 子 A と 逆 向 き の 磁

化 を 持 つ 副 格 子 B の 重ね 合 わ

せ と 見 る こ と が 出 来ま す。

らせん磁性

( sc rew magne t i sm)

磁 気 モ ー メ ン ト が 一定 周 期

で 回 転 し て い る た め全 体 と し

て 磁 化 を 持 ち ま せ ん

スピン密度波 (SDW:sp in

dens i t y wave )

電 子 の ス ピ ン の 大 きさ と 向

き が 波 状 に 分 布 し てい る 状 態 。

全 体 と し て 磁 化 は 生じ な い 場

合 (Cr )と 一 つ の 向 き の スピ ン

が 優 勢 で 正 味 の 磁 化を 持 つ 場

合 (Mn 3 S i )が あ る 。ス ピ ン 密 度

波 の 周 期 a は 必 ず し も 結 晶 格

子 の 周 期 λ と 一 致 しな い 。

傾角反強磁性

( c anted

ant i f e r romagne t i sm)

反 強 磁 性 に お い て ２つ の 副

格 子 磁 化 が 傾 い た ため に 、副 格

子 磁 化 と 垂 直 方 向 に正 味 の 磁

化 が 生 じ る 場 合 を 傾角 反 強 磁

性 と よ ぶ 。

希 土 類 オ ル ソ フ ェ ライ ト に

見 ら れ る 。

磁石につく磁性体

Q1 .9 : 実にいろんな磁性体があるのですね。いったいそのうち磁石に

くっつく実用的な磁性体はどれですか？

A1 .9 :実際につかわれる磁石にくっつく磁性体は、上の表のうち、自発

磁化をもつ強磁性体とフェリ磁性体です。磁石につくという点では、

オルソフェライトなど傾角反強磁性体もくっつきますが磁化は非常

に弱いです。鉄やコバルトなどは、磁界を加えなくても原子の 磁気

モーメントの向きがそろっているため磁化があるのです。これを鉄

の磁性という意味で fer romagnet （強磁性体）といいます。

表 1.2 室温付近で強磁性を示す元素

元 素 名 (記 号 ) α 鉄

( F e )

コ バ ル ト

( C o )

ニ ッ ケ ル ( N i ) ガ ド リ ニ ウ

ム ( G d )

T c ( K ) 1 0 4 3 1 3 8 8 6 2 7 2 9 2

表 1.3 室温以下で強磁性を示す元素

元 素 名 (記

号 )

テ ル ビ ウ

ム

( T b )

デ ィ ス プ ロ シ

ウ ム

( D y)

ホ ロ ミ ウ ム( H o )

エ ル ビ ウ

ム

( E r )

ツ リ ウ ム( T m)

T c ( K ) 2 2 4 8 5 2 0 1 9 . 6 2 5

元素のうち、室温付近で強磁性を示すのは、表 1 .2 に示すように Fe ,

C o , N i と G d のたった４つしかありません。表 1.3 に示す低温で強磁性

になる元素 T b , D y, H o , E r , T m を含めても強磁性元素は 1 0 程度です。こ

れ以外の元素は、反強磁性のように全体としての磁化が打ち消している

とか、常磁性、反磁性など磁気秩序をもたない弱い磁性しか示さないの

です。遷移金属や希土類を含む化合物や合金についても、ほとんど の物

質は、室温では弱い磁性しか示さないのです。

しかし、その弱い磁性が役にたつことがあります。とくに、スピント

ロニクス・デバイスに反強磁性が重要な位置づけをもつようになり注目

をあつめています。また、常磁性体の磁気モーメントの電磁波応答であ

る磁気共鳴は分析技術や医療診断技術としてなくてはならない存在に

なっています。

超伝導状態にある物質には磁束が侵入できません。これをマイスナー

効果と呼びます。第 2 種の超伝導では磁束は磁束量子として侵入しま

す。

フェライトでは、隣り合う原子磁気モーメントが反強磁性的に（互い

に逆方向に）そろえあっているのですが、両者でモーメントの大きさが

異なっているため、全体として正味の 自発磁化が残っています。これを

フェライトの磁性という意味でフェリ磁性体といいます。ふつう磁性体

といえば、強磁性体とフェリ磁性体を指します。

一方、反磁性体、反強磁性体などは、自発磁化を持たないので、弱い

磁界ではくっつきませんので、非磁性体とよばれます。常磁性体は、表

１に掲げた液体酸素のように低温、強磁界の下では磁石にくっつきます

から、非磁性体と呼ぶべきではありませんが、室温、弱い磁界において

は非磁性体として扱うことができます。

自発磁化

Q1 .10 :前の質問に出てきた自発磁化を説明してください。

A1 .10 : 磁界を加えなくても磁気モーメントの向きがそろっている状

態です。これは、磁気モーメントどうしの間にそろえあう力が働いて

いるためです。自発磁化は強磁性体において見られます。反強磁性体

でも、同じ磁気モーメントの向きの集団（副格子）の中では自発磁化

があるが、もう一つの副格子の自発磁化と打ち消しあって、マクロの

磁化が失われています。フェリ磁性体では、副格子磁化のバランスが

崩れているために、差し引きの結果、正味の自発磁化が残っています。

第 1 章の参考書

1 . 志村史夫 監修／ 小林久理眞 著：したしむ磁性；朝倉書店、 1999

2 . 高梨弘毅著：磁気工学入門 -磁気の初歩と単位の理解のために - (現

代講座・磁気工学 )；日本磁気学会、 2008

3 . 長岡洋介著：電磁気学 I 電場と磁場 (物理入門コース )；岩波書店、

1982

4 . 佐藤勝昭編著：応用物性 (応用物理学シリーズ )第 5 章（執筆者：高

橋研）；オーム社、 1991

5 . 佐藤勝昭著：光と磁気（改訂版） (現代人の物理シリーズ )；朝倉書

店、 2001