この項目 こうもく では、磁場 じば を発生 はっせい させる物体 ぶったい について説明 せつめい しています。
磁石 じしゃく (じしゃく、英語 えいご : magnet 、マグネット )は、2つの極 ごく (磁極 じきょく )を持 も ち、双極 そうきょく 性 せい の磁場 じば を発生 はっせい させる源 みなもと となる物体 ぶったい 。鉄 てつ などの強 つよ 磁性 じせい 体 たい を引 ひ き寄 よ せる性質 せいしつ を持 も つ。磁石 じしゃく 同士 どうし を近 ちか づけると、異 こと なる極 きょく は引 ひ き合 あ い、同 おな じ極 きょく は反発 はんぱつ しあう。
砂鉄 さてつ による棒 ぼう 磁石 じしゃく の磁力 じりょく 線 せん
棒 ぼう 磁石 じしゃく
鉄 てつ にはもともと磁石 じしゃく になる磁性 じせい と呼 よ ばれる性質 せいしつ がある[ 1] 。鉄 てつ 原子 げんし の中 なか は小 ちい さい磁石 じしゃく (磁区 じく )が多数 たすう 存在 そんざい する構造 こうぞう になっているが、磁極 じきょく の向 む きが一定 いってい でない状態 じょうたい で固定 こてい されており、全体 ぜんたい として磁力 じりょく が打 う ち消 け されているため磁石 じしゃく になっていない[ 1] 。
しかし、鉄 てつ に永久 えいきゅう 磁石 じしゃく (磁極 じきょく の向 む きを変 か えないような構造 こうぞう にした磁石 じしゃく )を近 ちか づけると磁極 じきょく は整列 せいれつ して磁石 じしゃく となり、反対 はんたい に遠 とお ざけると再 ふたた び磁石 じしゃく ではなくなる[ 1] 。このような性質 せいしつ は鉄 てつ だけでなくニッケルやコバルトにもみられる[ 1] 。
電気 でんき と磁気 じき の力 ちから はお互 たが いに不可分 ふかぶん である。これらの関係 かんけい は、電磁気 でんじき 学 がく の基本 きほん 方程式 ほうていしき であるマクスウェルの方程式 ほうていしき で与 あた えられる。
超 ちょう 伝導 でんどう 体 たい には、磁場 じば を退 しりぞ けるマイスナー効果 こうか という性質 せいしつ がある。超 ちょう 伝導 でんどう 体 たい に磁石 じしゃく を近 ちか づけると、超 ちょう 伝導 でんどう 体 たい は磁場 じば を退 しりぞ けるので、まるで同 どう 極 きょく 同士 どうし の磁石 じしゃく を近 ちか づけたように反発 はんぱつ しているように見 み える。これによって磁石 じしゃく の上 うえ に超 ちょう 伝導 でんどう 体 たい を浮上 ふじょう させることができる。また、ピン止 と め効果 こうか によって磁石 じしゃく の上 うえ に安定 あんてい して留 と まる。
医療 いりょう に用 もち いるMRI (磁気 じき 共鳴 きょうめい 画像 がぞう 法 ほう )用 よう 磁石 じしゃく の大 だい 部分 ぶぶん や磁気 じき 浮上 ふじょう 式 しき 鉄道 てつどう では、強力 きょうりょく な磁界 じかい が必要 ひつよう となるが、これを実現 じつげん できるような永久 えいきゅう 磁石 じしゃく は容易 ようい には存在 そんざい しない。また、電磁石 でんじしゃく で実現 じつげん するためには、コイルに大 だい 電流 でんりゅう を流 なが す必要 ひつよう がある。しかし、銅 どう などの低 てい 抵抗 ていこう の配線 はいせん 材料 ざいりょう を用 もち いても、この電流 でんりゅう による発熱 はつねつ に耐 た えることはできない。この問題 もんだい を解決 かいけつ するのが、コイルに超 ちょう 伝導 でんどう 体 たい を用 もち いた超 ちょう 伝導 でんどう 電磁石 でんじしゃく である。超 ちょう 伝導 でんどう 材料 ざいりょう は電気 でんき 抵抗 ていこう がゼロであるため、大 だい 電流 でんりゅう を流 なが しても発熱 はつねつ しないのである。超 ちょう 伝導 でんどう コイルには、磁場 じば に強 つよ い第 だい 二 に 種 しゅ 超 ちょう 伝導 でんどう 体 たい を用 もち いる必要 ひつよう がある。
磁石 じしゃく には、N極 ごく とS極 ごく の2つの磁極 じきょく (英 えい : magnetic pole )がある。これらの磁極 じきょく は単独 たんどく で存在 そんざい することはなく、必 かなら ず両極 りょうきょく が一緒 いっしょ になって磁石 じしゃく を構成 こうせい する。永久 えいきゅう 磁石 じしゃく を半分 はんぶん に切 き っても、S極 きょく だけ、あるいはN極 きょく だけの磁石 じしゃく にはならず、S極 きょく とN極 きょく の双方 そうほう を持 も つ2つの小 ちい さな磁石 じしゃく ができる。磁界 じかい の元 もと となるのは電荷 でんか の運動 うんどう であり、片方 かたがた の磁極 じきょく のみが生 う まれるように電荷 でんか を運動 うんどう させることは不可能 ふかのう である。ただし、1つの磁石 じしゃく に、磁極 じきょく は1組 くみ とは限 かぎ らない。磁極 じきょく が多数 たすう ある磁石 じしゃく を多 た 極 きょく 磁石 じしゃく と呼 よ び、円形 えんけい のものはモーター などに利用 りよう されている。また、環 たまき 形 かたち で、内側 うちがわ と外側 そとがわ で磁極 じきょく が分 わ かれているものがあり、これをラジアル異 あや 方 かた 性 せい 磁石 じしゃく と呼 よ ぶ。
電気 でんき と磁気 じき の関係 かんけい をひっくり返 かえ して、単独 たんどく で存在 そんざい する磁極 じきょく が運動 うんどう することによって、電場 でんじょう が生 しょう じるという現象 げんしょう を想像 そうぞう することはできる。このような空想 くうそう 上 じょう の単独 たんどく の磁極 じきょく のことを磁気 じき 単 たん 極 きょく 子 こ (モノポール)という。ただし、現実 げんじつ に存在 そんざい する可能 かのう 性 せい も示唆 しさ されており、現在 げんざい でも研究 けんきゅう が進 すす められている。
地球 ちきゅう そのものも、(現在 げんざい の)北極 ほっきょく 地方 ちほう にS極 ごく 、南極 なんきょく 地方 ちほう にN極 きょく を持 も っており、磁石 じしゃく と近似 きんじ である。地球 ちきゅう が発生 はっせい させる磁場 じば 、すなわち地磁気 ちじき に応答 おうとう して、地球 ちきゅう 上 じょう にある磁石 じしゃく には一方 いっぽう の極 きょく を北 きた へ、他方 たほう の極 きょく を南 みなみ へ引 ひ き寄 よ せる。この性質 せいしつ を利用 りよう したものが方位 ほうい 磁針 じしん である。磁極 じきょく の呼称 こしょう は方位 ほうい 磁針 じしん に由来 ゆらい して、北 きた (north) に引 ひ き寄 よ せられる極 きょく がN極 ごく (north pole)、南 みなみ (south) に引 ひ き寄 よ せられる極 きょく がS極 ごく (south pole) と呼 よ ばれる(ゆえに、磁性 じせい 体 たい としての地球 ちきゅう のN極 ごく ・S極 きょく は、地理 ちり 上 うえ の北 きた ・南 みなみ とは逆 ぎゃく である。つまり北 きた 磁磁極 じきょく は磁石 じしゃく のS極 ごく ・南 みなみ 磁磁極 じきょく は磁石 じしゃく のN極 ごく である)。
外部 がいぶ から磁場 じば や電流 でんりゅう の供給 きょうきゅう を受 う けることなく、磁石 じしゃく としての性質 せいしつ を比較的 ひかくてき 長期 ちょうき にわたって保持 ほじ し続 つづ ける物体 ぶったい のことである。強 つよ 磁性 じせい ないしはフェリ磁性 じせい を示 しめ す物体 ぶったい であって、ヒステリシス が大 おお きく、常温 じょうおん での減 げん 磁 が少 すく ないものを、磁化 じか して用 もち いる。永久 えいきゅう 磁石 じしゃく 材料 ざいりょう に関 かん するJIS規格 きかく としてJIS C2502、その試験 しけん 法 ほう に関 かん する規格 きかく としてJIS C2501が存在 そんざい する。
永久 えいきゅう 磁石 じしゃく は物質 ぶっしつ の構造 こうぞう により合金 ごうきん 磁石 じしゃく ・フェライト磁石 じしゃく ・希土類 きどるい 磁石 じしゃく に分類 ぶんるい される[ 2] 。
鉄 てつ を主成分 しゅせいぶん とする最 もっと も古 ふる い歴史 れきし をもつ永久 えいきゅう 磁石 じしゃく [ 2] 。
フェライト磁石 じしゃく は鉄 てつ の酸化 さんか 物 ぶつ を原料 げんりょう とする磁石 じしゃく [ 2] 。1937年 ねん 、東京工業大学 とうきょうこうぎょうだいがく の加藤 かとう 与五郎 よごろう 、武井 たけい 武 たけし によって発明 はつめい された。酸化 さんか 物 ぶつ 磁石 じしゃく の1つで、酸化 さんか 鉄 てつ を主原 あるじはら 料 りょう にして焼 や き固 かた めて作 つく る。磁束 じそく 密度 みつど は低 ひく いが、保 ほ 磁力 じりょく が高 たか く減 げん 磁しにくい。電気 でんき 抵抗 ていこう が大 おお きく渦 うず 電流 でんりゅう 損 そん が低 ひく く、高周波 こうしゅうは まで適用 てきよう できる。硬度 こうど は比較 ひかく 的 てき に高 たか いが割 わ れやすい。磁器 じき なので薬品 やくひん に強 つよ く、錆 さ びない。焼 や く前 まえ は粉末 ふんまつ のため自由 じゆう な形 かたち にできる。などの特徴 とくちょう がある。
フェライト磁石 じしゃく を粉末 ふんまつ 状 じょう にしてゴムに練 ね り込 こ んだゴム磁石 じしゃく やプラスチックに練 ね り込 こ んだプラスチック磁石 じしゃく もあり、これらはまとめてボンド磁石 じしゃく あるいはボンデッド磁石 じしゃく という(後述 こうじゅつ )[ 2] 。
希土類 きどるい 磁石 じしゃく は希土類 きどるい 元素 げんそ とコバルトや鉄 てつ の金属 きんぞく 間 あいだ 化合 かごう 物 ぶつ からなる磁石 じしゃく [ 2] 。最大 さいだい エネルギー積 せき ではフェライト磁石 じしゃく の10倍 ばい 以上 いじょう の磁力 じりょく を持 も つ[ 2] 。ただし、合金 ごうきん 磁石 じしゃく に比 くら べて硬 かた いが脆 もろ い[ 2] 。
サマリウムコバルト磁石 じしゃく - サマリウム とコバルトを原料 げんりょう としている。組成 そせい 比 ひ の異 こと なる「2-17系 けい 」と「1-5系 けい 」がある。「1-5系 けい 」は高価 こうか なサマリウムの比率 ひりつ が高 たか いため、「2-17系 けい 」の登場 とうじょう 以降 いこう あまり用 もち いられなくなってきた。強 つよ い磁力 じりょく を持 も ち、高 たか い耐 たい 腐食 ふしょく 性 せい と良好 りょうこう な温度 おんど 特性 とくせい (200℃程度 ていど まで使用 しよう 可能 かのう )を有 ゆう することが特徴 とくちょう である。
ネオジム磁石 じしゃく
プラセオジム磁石 じしゃく
通常 つうじょう 、磁性 じせい 材料 ざいりょう の芯 しん のまわりに、コイル を巻 ま き、通電 つうでん することによって一時 いちじ 的 てき に磁力 じりょく を発生 はっせい させる磁石 じしゃく である。機械 きかい 要素 ようそ として用 もち いられる。電流 でんりゅう を止 と めると磁力 じりょく は失 うしな われる。
天然 てんねん に産出 さんしゅつ する磁石 じしゃく として磁鉄鉱 じてっこう (四 よん 酸化 さんか 三 さん 鉄 てつ 、Fe3 O4 、マグネタイト)が挙 あ げられる。古代 こだい からよく知 し られている磁石 じしゃく 、磁鉄鉱 じてっこう (ないし砂鉄 さてつ )として産出 さんしゅつ されていたのはこの四 よん 酸化 さんか 三 さん 鉄 てつ である。砂浜 すなはま で永久 えいきゅう 磁石 じしゃく を砂 すな 中 ちゅう に挿入 そうにゅう すれば、充分 じゅうぶん に視認 しにん することができる。羅針盤 らしんばん の指針 ししん を磁化 じか することなどに用 もち いられてきたが、非常 ひじょう に微弱 びじゃく な磁石 じしゃく である。ちなみに磁気 じき を帯 お びた岩石 がんせき として知 し られる須佐 すさ 高山 こうざん の磁石 じしゃく 石 せき も、その磁気 じき は斑 むら れい岩 がん 中 なか の磁鉄鉱 じてっこう によるものである。
20世紀 せいき に入 はい ると、天然 てんねん の磁鉄鉱 じてっこう に替 か わり実用 じつよう に充分 じゅうぶん な強度 きょうど を有 ゆう する磁石 じしゃく が人工 じんこう 的 てき に作 つく られるようになってきた。
主 おも に鉄 てつ 、ネオジム、サマリウム、コバルトなどが高性能 こうせいのう 磁石 じしゃく の原材料 げんざいりょう となっており、一般 いっぱん に流通 りゅうつう する磁石 じしゃく の多 おお くは金属 きんぞく 磁性 じせい 粉末 ふんまつ を成形 せいけい して焼 や き固 かた めた「焼 しょう 結 ゆい 磁石 じしゃく 」である[ 3] 。
フェライト磁石 じしゃく を粉末 ふんまつ 状 じょう にしてゴムに練 ね り込 こ んだゴム磁石 じしゃく やプラスチックに練 ね り込 こ んだプラスチック磁石 じしゃく をまとめてボンド磁石 じしゃく あるいはボンデッド磁石 じしゃく という[ 2] 。
プラスチックマグネット(プラスチック磁石 じしゃく )はプラスチックに磁性 じせい 材料 ざいりょう となる金属 きんぞく を混 ま ぜて成形 せいけい したもの[ 3] 。
ラバーマグネットは合成 ごうせい ゴムに磁性 じせい 材料 ざいりょう となる金属 きんぞく を混 ま ぜて成形 せいけい したもの[ 3] 。
鉄 てつ の釘 くぎ を引 ひ き付 つ ける天然 てんねん 磁石 じしゃく のロードストーン。古代 こだい の人間 にんげん はロードストーンから磁性 じせい の性質 せいしつ を発見 はっけん した。
最 もっと も初期 しょき の方位 ほうい 磁石 じしゃく に使 つか われる弱 よわ い磁石 じしゃく を作 つく る方法 ほうほう 、イラストのように南北 なんぼく 方向 ほうこう に真 ま っ赤 か な鉄片 てっぺん を置 お いてハンマーで叩 たた くと地球 ちきゅう の磁場 じば によって磁化 じか され弱 よわ い磁石 じしゃく になる。
磁石 じしゃく の歴史 れきし について、一説 いっせつ によると古代 こだい ギリシア のマグネシア では磁鉄鉱 じてっこう が採掘 さいくつ されており、これが人類 じんるい の最初 さいしょ に出会 であ った磁石 じしゃく で、マグネット(magnet )もこの地名 ちめい に由来 ゆらい しているという[ 1] 。
プラトン は、その著書 ちょしょ 『イオン』にて「マグネシアの石 いし 」として磁石 じしゃく のことを言及 げんきゅう している。ロ ろ ーマ帝国 まていこく の博物学 はくぶつがく 者 もの 大 だい プリニウス は、著書 ちょしょ 『博物 はくぶつ 誌 し 』にて、マグネスという羊 ひつじ 飼 か いが磁石 じしゃく を偶然 ぐうぜん 発見 はっけん したと述 の べている。なお『博物 はくぶつ 誌 し 』には、ダイヤモンド が磁石 じしゃく の力 ちから を妨 さまた げるという奇妙 きみょう な説 せつ も記述 きじゅつ されている。
一方 いっぽう 、古代 こだい 中国 ちゅうごく 『呂 りょ 氏 し 春秋 しゅんじゅう 』には「石 せき 鉄 てつ 之 の 母 はは 也 以有慈石 故 こ 能 のう 引其子 こ 」(鉄 てつ の石 いし は母 はは のように子 こ を引 ひ き寄 よ せる力 ちから を持 も つ)という記述 きじゅつ がある[ 1] 。ほかにも『淮南 ワイナン 子 こ 』(BC2世紀 せいき )、『管 かん 子 こ 』(BC1世紀 せいき )などにおいて鉄 てつ を引 ひ き寄 よ せる「慈石」に関 かん する言及 げんきゅう が見 み られる[1] 。この「慈石」が漢字 かんじ の「磁石 じしゃく 」のもとになった[ 1] 。また、晋 すすむ 書 しょ (第 だい 五 ご 十 じゅう 七 なな 巻 かん 、列伝 れつでん 第 だい 二 に 十 じゅう 七 なな )によると、晋 すすむ の武将 ぶしょう 馬 うま 隆 たかし は、鮮卑 の禿 かぶろ 髪 かみ 樹 じゅ 機能 きのう との戦 せん において、磁石 じしゃく を大量 たいりょう に用 もち いることで、鉄 てつ の鎧 よろい で武装 ぶそう した鮮卑の騎兵 きへい を足止 あしど めしたという逸話 いつわ が記録 きろく されている(原文 げんぶん :或 ある 夾道累 るい 磁石 じしゃく 賊 ぞく 負 ふ 鐵 てつ 鎧 よろい 行 ゆき 不 ふ 得 とく 前 ぜん 隆 たかし 卒 そつ 悉被犀 さい 甲 かぶと 無 む 所 しょ 留 とめ 礙 賊 ぞく 咸以為 ため 神 しん )。ただし、資 し 治 ち 通 どおり 鑑 かん を著 あらわ した司馬 しば 光 ひかり は、この記述 きじゅつ を紹介 しょうかい した折 おり に「恐 おそれ 不可 ふか 信 しんじ (おそらく、信 しん ずるべからず)」と、信憑 しんぴょう 性 せい が低 ひく いとの評価 ひょうか を与 あた えている。
日本 にっぽん においては、続 ぞく 日本 にっぽん 紀 き に「和銅 わどう 6年 ねん (713年 ねん )近江 おうみ の国 くに より慈石を献 けんじ ず」との記述 きじゅつ がある他 ほか 、狂言 きょうげん では「慈石」という演目 えんもく がある。また、歌舞伎 かぶき の「毛抜 けぬき 」では、磁石 じしゃく により操 あやつ られる毛抜 けぬき が登場 とうじょう する。
11世紀 せいき 、中国 ちゅうごく の宋 そう の時代 じだい に磁石 じしゃく の針 はり を水 みず に浮 う かべる原始 げんし 的 てき な羅針盤 らしんばん が発明 はつめい され、ヨーロッパ にも伝 つた わった[ 1] 。
磁石 じしゃく に対 たい し、近代 きんだい 的 てき な科学 かがく の光 ひかり をあてたのは、エリザベス1世 せい の侍医 じい であったウイリアム・ギルバート である。その著書 ちょしょ 『磁石 じしゃく 及 およ び磁性 じせい 体 からだ ならびに大 だい 磁石 じしゃく としての地球 ちきゅう の生理学 せいりがく 』(De Magnete, Magneticisque Corporibvs,et De Magno Magnete Tellure) においてギルバートは、磁石 じしゃく に関 かん する俗説 ぞくせつ や既知 きち の現象 げんしょう について詳細 しょうさい に検証 けんしょう している。例 たと えば、羅針盤 らしんばん の指 ゆび 北 きた 性 せい を論 ろん じるにあたり、球形 きゅうけい の磁石 じしゃく を作製 さくせい し、これに対 たい する磁針 じしん の振舞 ふるま いを観察 かんさつ している。この結果 けっか 、地球 ちきゅう そのものが磁石 じしゃく であると結論 けつろん 付 つ けている。また、琥珀 こはく などが軽 かる い羽毛 うもう などを引 ひ きつける静 しずか 電 でん 引力 いんりょく は、磁力 じりょく とは異 こと なる現象 げんしょう であるとも論 ろん じている。ギルバートの実験 じっけん と論証 ろんしょう による方法 ほうほう 論 ろん は、その後 ご の科学 かがく に多大 ただい な影響 えいきょう を与 あた えた。
産業 さんぎょう 革命 かくめい が起 お き製鉄 せいてつ 技術 ぎじゅつ や冶金 やきん 技術 ぎじゅつ が発展 はってん したが磁石 じしゃく には鉄 てつ や炭素 たんそ 鋼 こう が使 つか われるだけで特 とく に進歩 しんぽ はなかった[ 1] 。しかし、20世紀 せいき になり日本 にっぽん の本多 ほんだ 光太郎 こうたろう らが「KS鋼 こう 」を発明 はつめい したことが近代 きんだい 磁石 じしゃく の第一歩 だいいっぽ となり工業 こうぎょう の発展 はってん に大 おお きな貢献 こうけん を果 は たした[ 1] 。
ヒトにおいて、比較的 ひかくてき 強 つよ い磁力 じりょく を持 も った小型 こがた の磁石 じしゃく を複数個 ふくすうこ 飲 の み込 こ んだことによって、磁石 じしゃく が磁力 じりょく で引 ひ き合 あ って消化 しょうか 管 かん を挟 はさ み込 こ んだため、消化 しょうか 管 かん に穴 あな があいた事例 じれい が報告 ほうこく されている[ 4] 。
磁化 じか された強 つよし 磁性 じせい 体 たい は以下 いか のような方法 ほうほう で消磁 しょうじ することができる。
キュリー点 てん を超 こ える温度 おんど に加熱 かねつ することで磁性 じせい 体 たい の磁区 じく の配列 はいれつ の秩序 ちつじょ を乱 みだ すことができ、結果 けっか として正味 しょうみ の磁気 じき モーメントを0にすることができる。
交流 こうりゅう の磁場 じば を磁性 じせい 体 たい にかける方法 ほうほう 。このとき交流 こうりゅう 磁場 じば の強 つよ さは磁性 じせい 体 たい の保 ほ 磁力 じりょく を超 こ える強 つよ さでなければならない。その後 ご 交流 こうりゅう 磁場 じば を徐々 じょじょ に下 さ げ0にするか、もしくは磁性 じせい 体 たい を磁場 じば から取 と り除 のぞ くことで磁化 じか を0にすることができる。この手法 しゅほう はクレジットカードやハードディスクの記録 きろく を消 け す一般 いっぱん 的 てき な手法 しゅほう である。
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