磁気

I

プロローグ

自然界の基本的な力のひとつである、電磁気現象のうち、磁力によっておこる現象の根源と考えられるもの。磁気的な力は電子のような荷電粒子の運動によってひきおこされるので、電気と磁気は密接に関連している。電気と磁気とを統一的にあつかう分野は、電磁気学とよばれる(→ 電磁放射)。磁気のもっとも身近な例は、鉄のような磁性体の間でひきあったり反発しあったりする力がはたらくことである(→ 永久磁石)。しかし、もっと目立たない磁気の効果は、あらゆる物質において観察される。最近では、これらの効果が、物質の原子構造を明らかにするのに重要な手がかりとなってきた。

II

研究の歴史

磁気現象は古代から知られていた。英語のマグネットの語源は、小アジアのマグネシアに磁鉄鉱が多く産出したためといわれてきた。ギリシャ人もローマ人も中国人も、鉄をひきつける性質をもった鉄の酸化物である鉱石、磁鉄鉱を知っていた。鉄のかけらを磁鉄鉱でたたくと、鉄のかけら自身がほかの鉄をひきよせる性質をおびる。このようにしてつくられた磁石は極性をもっている。つまり、北をむく極と南をむく極をもっている。同じ種類の極は反発しあい、ことなる種類の極はひきあう。

コンパスは、最初、中国で航海に利用された。磁石の性質などについての重要な研究は13世紀のフランスの学者ペトラス・ペレグリナスによっておこなわれた。1600年になって、イギリスの物理学者で医者のウィリアム・ギルバートが著書「磁石、磁性体、地球という大きな磁石」を出版した。ギルバートは電気、磁気の研究に実験的な方法をもちいて、地球が巨大な磁石であると指摘し、当時区別されていなかった磁気と摩擦電気について明らかにした。1750年、イギリスの地理学者ジョン・ミッチェルは天秤(てんびん)をつくって、磁力を測定し磁極にはたらく引力や斥力は磁極の間の距離の2乗に反比例することをしめした。電荷の間にはたらく力を測定したフランスの物理学者クーロンは、のちにミッチェルの観測を高い精度で再確認した。

→ 地球：電磁石：スピン

III

電磁気学

18世紀末から19世紀初めに、電気と磁気が同時に研究された。1819年、デンマークの物理学者ハンス・エルステッドは、磁針が電線をながれる電流によってうごくという重要な事実を発見した。この発見は、電気と磁気のつながりをしめしたものであるが、ついでフランスの科学者アンペールは電流のながれる2本の電線の間にはたらく力を研究し、フランスの物理学者アラゴーは電流のながれている電線の近くに鉄片をおくと、それが磁化することを知った。31年、イギリスの科学者ファラデーは、電線の近くで磁石をうごかすと電線に電流が生じることを発見した。エルステッドは、電流が磁場をつくることを発見したのに対して、ファラデーは逆に、磁場が電流を発生させることを発見したのである。電気と磁気の完全な統一理論は、イギリスの物理学者マクスウェルによって完成された。マクスウェルは電磁波の存在を予言し、光が電磁現象であることをしめした。

その後の磁性研究は、物質の磁気的性質が原子や分子とどのように関連するかにむけられていった。1905年、フランスの物理学者ポール・ランジュバンは、常磁性体の磁気的性質が温度によって左右されることについて、理論をうちだした。この磁性に関する理論は、電子や原子の軌道運動にもとづいて性質を記述した初期の研究の代表である。ランジュバンの理論は、フランスの物理学者ピエール・ワイスによって広範に研究されることになる。ワイスは鉄のような物質の内部に分子的な磁場がはたらいていると仮定し、磁鉄鉱のような強磁性体の性質を説明した。

ワイスの理論以後、磁気的性質の研究は、ますます詳細になった。デンマークの物理学者ボーアの原子モデルによって周期表が理解されるようになり、なぜ磁性が鉄のような遷移元素や希土類元素、あるいはその化合物でおこるのかが解明された。1925年、アメリカの物理学者サミュエル・ハウトスミットとジョージ・ウーレンベックは、電子自身がスピンをもち、微小な磁石のようにふるまうことを明らかにした。原子レベルでは磁気は磁気モーメントで計測される。磁気モーメントは、磁場の強さと方向、磁場をだす物質の配置によってきまるベクトル量である。27年、ドイツの物理学者ハイゼンベルクは、新しく発展した量子力学を基礎にして、ワイスの分子磁場についての詳細な説明をあたえた。他の科学者たちは、さらに多くの複雑な磁気モーメントの原子レベルの配置を予見し、それらは実際それぞれ多様な磁気的性質をしめした。

IV

磁場(磁界)

棒磁石や電流のながれている電線は、接触していなくてもほかの磁性材料に影響をおよぼすことができる。磁石や電線が磁場をつくりだすからである。磁場は磁界ともいう。磁場は、通常、磁力線であらわされる。磁場の方向は磁力線の方向と一致し、磁場の強さは磁力線の密度に比例する。棒磁石では、磁石の一方の端から磁力線があらわれ、曲線をえがいて磁石の他方の端に達する。磁束線は磁石の中もとおり、外側の曲線とつながってとじた輪をえがく。磁石の端では磁力線がもっとも密集しており、磁場はもっとも強い。磁石の側面にいくにしたがって磁力線はまばらになり、磁場は弱くなる。

磁石の形と強さによって、磁力線のえがく模様はことなる。磁石あるいは磁場をつくりだすものによってつくられる磁力線の模様は、コンパスや細かい鉄粉をつかえばみえる形にできる。磁石は、磁力線の方向をむこうとするので、自由に回転できる小さい磁石であるコンパスは、磁力線の方向をさししめそうとする。コンパスを磁場の発生源の周囲のさまざまな場所におき、針の方向を記録してゆくと、磁力線の模様を知ることができる。また、鉄粉を磁場の発生源の周りにおくと、鉄粉は磁力線にそってならび、磁力線の模様をえがく。

磁場は、磁性材料に影響をおよぼすが、磁場の中をうごく荷電粒子にも影響をあたえる。一般に、荷電粒子が磁場の中をうごくとき、速度の方向、磁場の方向の両方に垂直な方向に力をうける。力がつねに速度と垂直な方向にはたらくので、磁場の中の荷電粒子はまがった軌跡をえがくことになる。磁場は、加速器や質量分析器などの装置で荷電粒子の進路をかえるのに利用される。