磁石の話

真空中の磁石
 磁石のN極から出た磁力線はS極に吸収され、磁石の強さを表す磁化ベクトルMは磁石内をS極からN極へ向かう。磁場ベクトルをH、真空の透磁率をμ0とすれば、μ0Hとμ0Mの和が磁束密度Bである。
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 磁石のN極からでた磁力線のうち、磁石の内部を通ってS極へ吸い込まれる力線の数をm本とし、外部を通って吸い込まれる磁力線の数をn本としよう。図は、m=3、n=4として描いている。(実際には、力線を1本、2本と数えることはできないが、その強さを概念的に理解しやすいように数えることができるものとしよう。)
 磁力線の本数m+nは磁石の強さを表しているので、磁石の強さを表す磁化μ0Mを、磁石内をS極からN極に向うm+n本の力線で表わそう。
 磁束密度Bをあらわす力線はμ0Hを表わす力線、つまり磁力線と磁化の強さμ0Mを表わす力線の和であるから、磁石の外では、Bの力線はμ0Hの力線と同じである。しかし、磁石の内部では、μ0Hの力線はN極からS極へ向かってm本、μ0Mの力線は、逆にS極からN極へ向かってm+n本であるので、Bの力線として、S極からN極へ向かうn本の力線が残る。すなはち、n本のBの力線は磁石内部をS極からN極へ向かい、磁石の外部では、同じn本の力線がN極からS極へ向かうことになるので、Bの力線は端点を持たずループをなす。
一様磁界中の鉄片
 図のように、一様な外部磁界中に鉄片をおくと、鉄片は外部磁界と同じ向きに磁化され磁石となる。ここで、磁化の向きとは、磁石となった鉄片のS極からN極へ向かう向きである。磁石となった鉄片も周りに磁界をつくるので、全体の磁界は、外部磁界と鉄片がつCCI20130620_000011くる磁界との和として表される。つまり、外部磁界の向きと鉄片がつくる磁界の向きが同じ向きのところの磁界は強くなり、逆向きの所は弱くなる。その結果、磁界は上の図のように、鉄片に吸い込まれるように見える。これは、磁束は真空中よりも透磁率の大きい鉄片のなかを通過しようとするため、磁石になった鉄片の両極近傍の磁界は強くなるが、鉄片の側面での磁界は弱くなる。そのことを確かめるために簡単な実験をしてみよう。
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 上の左図ように、一端が机の上に固定された糸のもう一方の端にゼムクリップを結びつけ 、磁石のN極を近づけると、ゼムクリップが磁石に引き寄せられ空中に浮く。この場合、クリップの磁石に近い側のクリップの端はS極になっている。この状態から、右図のように、磁石にペンチなどを近づけると、クリップが落ちる。ペンチの端もS極になるのでクリップのS極と、ペンチのS極が反発し合った結果と考えられる。しかし、磁石から出た磁束がペンチのほうに引き寄せられるためにゼムクリップの場所の磁界が弱まり、ゼムクリップが落ちたと考えることもできよう。
キャップ付き磁石
 図のような鉄枠のついたマグネット、いわゆるキャップ付き磁石では、鉄枠自体が磁化され、マグネットと鉄枠が一体となって一つの磁石となり、N極とS極が接近する。磁力線が広がらないので枠のない場合にくらべ強力になり、また不要な磁力線を外部に漏らさない。
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 円盤状磁石に鉄製のキャップを付けるのは、U型磁石が棒磁石にくらべ、より、強力になるのと同じ理由であるが、磁石を保管する場合、左の写真のように、磁石の両極を鉄片でつなぐことによって、磁石と鉄片が磁気閉回路を形成するようにする。これは磁力の消耗を防ぎ、また、周囲に磁気的な影響を及ぼすのを防ぐためであるが、それでも、アルニコ磁石やネオジウム磁石のような強力な磁石では磁力線の漏れは防げないので、磁石にはカードなどを近づけてはならない。
 
 
 
 
 
反磁性
 磁界のなかに反磁性を示す物質をおくと、物質は磁界と逆向きに磁化される。つまり、磁石を近づけると、反発力が生じる。水やグラファイトは反磁性を示す物質である。極めて強い反磁性を示す物質は超伝導体である。とくに、第1種の超伝導体は完全反磁性であり、磁力線を完全に斥ける。
 例えば、下の図のように、超伝導体の上に磁石を置くと、磁力線は超伝導体の中に入れないため、磁石と超伝導体の間で磁力線の密度が大きくなり、磁力線の反発力によって磁石が浮く。これは超伝導体の中に磁石の鏡像ができると考えることもできる。超伝導体に近づいた磁石はそこに映った自分自身の鏡像との反発力によって浮いていると考えることもできよう。磁石と超伝導体の間に反発力が生じるのをマイスナー効果と呼ぶ。
CCI20130620_00001211 一見、難しく思える電磁気学の現象も、目に見えない電気力線や磁力線を考えることによって、数式なしで極めて直感的に理解することができる。(関連項目→電気自動車
     青いお空の底深く
     海の小石のそのように
     夜のくるまで沈んでる
     昼のお星は目に見えぬ
     見えぬけれどもあるんだよ
     見えぬものでもあるんだよ
         金子みすず「星とたんぽぽ」

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