III.

磁石の原理

磁石はN極とS極をもっており、異極は吸引し同極は反発する。また磁石は鉄、ニッケル、コバルトなどほかの磁性体を吸引する。このような性質はどこから発生するのか。また強い磁石をつくるのには、どうすればよいか。これらの機構について説明しよう。

1.

磁気とスピン

電気と磁気は比較対照される。電気ではその基本に自由電子なるものを考え、その動きによって電気現象が説明される。しかし、磁気では、自由電子に相当する磁子のようなものは考えられない。そこで物質の磁気を発生する根源として、原子に所属する核外電子の自転運動スピンに着目する。

このスピンは通常、プラス、マイナス1/2の量子数をもつ。電子がこのプラスマイナスで対をなしているときは、磁気が発生しない。不対のスピンがあるときに磁気が発生する。

そこで周期表から不対のスピンをもつ原子をさがすと、まず目につくものは鉄、コバルト、ニッケルである。これらの原子は電子の3d軌道に不対電子があり、そのため磁性をもつ。

さらに実用面からみれば、鉄、コバルト、ニッケルは安価で豊富な材料であるので、これら3d金属およびその合金が、まず20世紀の初頭に工業材料として磁石の主流となったのである。

2.

希土類と磁性

さて次に、不対スピンをもつほかの原子をさがしてみると、希土類金属(ランタンからルテチウムまでの15元素)があることがわかる。これらは3d軌道でなく、4f軌道に不対スピンの電子をもつ。4f電子は外界の影響からまもられているから、磁気の点からみれば、すぐれた磁性をもつはずで、高性能の磁石が製作できるはずである。

昔は希土類金属を精製する技術がなく、高価な金属であったので、磁石に利用されていなかったが、1970年代になると、希土類金属を安価に製造する技術が発展し、同時に希土類金属の磁性の研究が進展し、これらをあわせて、新しい4f金属系の強力磁石がぞくぞくと発明されるようになった。

これらの中で実用的に成功したものがサマリウム磁石およびネオジム磁石であり、これらが今日の強力磁石の主流となっている。

→ 希土類元素