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連 座講載

超入門 ようこそ,まぐねの国に

第 1回 こんなところにも磁性体が

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佐藤 勝 昭 (也)科学技術振興機構

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は じめ に

磁性の初学者の多 くが,『まぐねの国』の入口には,し

かつめらしい顔をした 『磁気物性』の鬼が門番をしていて,

難しい 『なぞなぞ』に答えないと門を開けてもらないと考

えているようですがそんなことはありません.

確かに.まぐねの国で生活するには 『磁気物性』の知見

があるとないとでは大違い.最近では,先端的な応用と基 1g.Fiてい

礎となる 『磁気物性』の距離がますます短くなっているの る. bサ日立金属のWe

ハイブリッドカーには多数の磁性体が使われ

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を参考に

wcで,なおさらです.

この超人門講座では,『まぐねの国』で道に迷った初学

者たちに対し,道しるべとなるガイドブックを提供するこ

とを目的としています.ときには,いきなり聞き慣れない

『まぐね語』が出てくることがありますが,必ずどこかで

説明しますので,とりあえずは 『呪文』だと聞き流してく

ださい.

第 1回は,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.

第 1章 こんなところにも磁性体が-

(a) 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

Fig.2

TDKのWebサイト(http://www.tdk.cojp/techma

ブラシレスDCモーターの仕組みの作図.

da/innaj/g 模式図.

を参考に作図.たもので 3ht.52OOa m)われます. EVに限らず自動車にはたくさんのモーターが

て使われて使われています.窓の開閉,パワーステアリング,ワイ す.中央には永久磁石という磁性体が回転子とし

0

2g.

パー,ブレーキ,ミラー等々,高級車では10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.

Fi はブラシレス ･モーターの仕組みを模式的に措い

Fig.3 パソコンのハー ドディスクドライブ (HDD)ヘッドにはソ には,記錬媒体としてハー ド磁性体が,記録

( フト磁性体が使われているる. 理科力をきたえ Q図の出典 :佐藤勝昭 ｢

永久磁石としては,日本で開発され &AJp.101)かわれています.この磁石は,レアアたネオジム磁石がつ

(Nd)と鉄 (Fe)の化合物 NdFe2 ースであるネオジム

温度特性を改善する目的で B14を主成分とするもので,

デイスプロシウム(Dy)など値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BHmxaが一番高く,小型で性能のよいモーター

作れるのです.近年,世界最大の供給国である中国の生が

調整によってレアアースが高騰して,マスコミを賑わせ産

いることはご存じだとと思います. て永久磁石にちょっ

をひっくり返すこ やそっと外部磁界を加えて N･ S転しにくい磁性体とができませんよね.このように磁化反

ます.磁性体のかをかたい磁性体 (ハード磁性体)といい

せるために必要 たさを表す尺度として,N･ Sを反転さ

な磁界の強さ 『保磁力』を使います.一方,固定子の電

(コア)は,モータ磁石においてコイルを巻くための磁心

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

する磁界によって直ちに大きな磁束密度が得られ て発生

でなければなりません.このためには,保磁力がる磁性体

比透磁率 Fr 小さく,Eの大きなやわらかい磁

が 性体-(ソフ ト磁性体)

求められます*1.モーター用のソフト磁性体として

パーマロイ ( は,小型のものには鉄とニッケルの合金)が.

イ素鋼板 (鉄とケイ素の合金)が使われ大型のものにはケ

(b) コンピュータと磁性体 ます.コンピュータの大容

(HDD)には,多数の 量記憶を受けもつハー ドディスク

回転する磁気記録媒体 磁性体が活躍しています.このうち

れる)では,ディジタ (円盤状なので磁気ディスクと呼ば

の列 (トラックと呼 ルの情報をNSNS-という磁気情報

ます.一度 NS ばれる)として円周上に記録されていの向きを記録

したら,永久磁石のようにいつまでも変わらないことが必要です

磁性体 ( から,磁気的にかたいハー ド磁性体)が使われます.ただし,永

1* 久磁石比透磁率 :一アイルが作る磁界を Hとすると,磁性体がないと

き磁束密度 BはB-poHで与えられますが.磁性体があ磁束は比透磁率倍になります.式で書くとB-JLr ると

80ます. JJ｡Hで表され

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

ロム(Cr)と白金 (Pt)の は.コバル ト(Co)とク

うと鉄が思い浮かびます合金の多結晶薄膜です.磁性とい

れていないのはピック が, HDDの記録媒体に鉄が使わ

日本で発明された垂 リですね.最近の高密度HDDには,

このための記録媒体 直磁気記録方式が使われていますが,

けてありますがこれには裏打ち層という磁束の通り道がつ

磁気ディスクに磁にはソフト磁性体が使われています.

気情報を読み出した気情報を書き込んだり,記録された磁

ドは可動のヘッドアりするのが磁気ヘッドです.磁気ヘッ

のスライダーに取りセンブリ (ジンパルと呼ばれる)の先

ノメーター上空に浮付けられており,磁気ディスクの数ナ

磁性体に書き込むに上しています.磁気情報をディスクの

磁石を使います.電は,マイクロメータサイズの小さな電

です.コイルで発生磁石のコイルも薄膜で作られているのした磁界を磁気デ

ための磁心 (コア)としては,ソフトィスク媒体に伝える

れます.記録されるビットの円周方向磁性体の薄膜が使わ

という小ささなのでヘッドにはナノメーのサイズは数十nm

要求されます. トルの加工精度が磁気ディスク媒体に

えて読み出すために以記録された磁気情報を電気信号に変

1990年代の半ばから 前はコイルが使われていましたが,

,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 ｢

れます.この素子には, 磁気抵抗 (MR)素子｣が使わ

大磁気抵抗効果 (MR,ノーベル物理学賞受賞で有名な巨G )あるいは,トンネル磁気

莱( TMR)が使われます. MR素子には,極め 抵抗効

性体をソフ ト磁性体で挟んだ多層膜が使われてて薄い非磁

GMR,および, TMR効果については,連載 います.

うで詳しく述べます. 講座の後のほHDDには,磁気ディスクと磁

クを高速回転させるためのスピン気ヘッドのほか,ディス

チュエータにも磁性体が使わ 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

とちがって,磁気ヘッドの磁

器 (トランス)です. トランスにおいては,コア (磁芯)

と呼ばれる軟磁性体に 1次コイルと2次コイルの二つのコ

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うに磁気的にやわ

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熟として失わ

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,積層ケイ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 い磁界でも磁化の反転

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

いう磁性体の磁気光学効果 (ファラデー効果) と

第 1ハ

Qlー ド磁性体,ソフ ト磁性体:身の回りには.ずいぶん

れているのですね.ところで

ト磁性体という話の中ででて,ハー ド磁性体,ソフ

やわらかいという表現がよく きた磁性がかたいとか

わかりません.

N･ のひっく

たくさんの磁性体が使わ

(

Q&Aコーナーいます.章の が使われて

A: まぐねの国では,磁性体に磁界を加え

S たとき,弱

｣,強い磁界を

外に逃がすためのものです. が反転 しないとき ｢ 与えないと磁化かたい｣と表現 し

(d) 光ファイバー通信と磁性体 説明するには磁気 ます.これを

入っています.油は絶縁を保つとともに, トランスの熱を きるなら ｢やわらかい り返 り)が起

家庭にまで光ケーブルが敷かれ,私たちは高速のイン i 6g.F は, ヒステリシスの知識が必要です.

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 磁性体を特徴づけるヒステリシス曲線です.横軸は,外部

ようになりました.光ケーブルには光ファイバーが使わ 磁界 Hの強さ,縦軸は磁化 Mの大きさを表 しています.

れ,大量のディジタル情報を光信号として伝送していま 詳 しくは第 4回に説明しますが,磁化 Mが反転する

性 磁界 Hを保磁力Hcと呼び,磁

50

Oe

S Cm

2

Lす,光ファイバー通信の光源は半導体レーザー (D)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 体の ｢図において,永久かたさ｣を表します.

5k )もの磁

てピコ秒という短い時間で点滅しています. 磁石材料であるハー ド磁性体は磁 化 を反転 させ るの に 200万A/m (約

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,使われるのが光を一方通行にし

i 4g.F体が

s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磁化 AIp/o

柱上 トランスには磁心としてソフト磁性

/ikdne)thex.

hd jcuenco. . ./kkau

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h(ho

使われている.中部電力のサイトttpme nd mlを参考

dsik/dsik/p _ _

ファラデー回転子に作図.

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い 10A/m (約 0.130e)で簡単に反転するくらいや

わらかいことがわかります.

磁界

Q2: 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.

A: 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, magnetic

Beld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

【〟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.〟m

とOeの関係は

1[e- 00/4rlA/ - 97A/ です.逆にO] 10 7 m] 7.l m]

1【 - 〟1 0【 ] 0026O 】〟m] 4 00Oe- .15【eです.

また,磁束密度Bの単位であるSI T テス系の [](

ラ),あるいはcse 系の [ ガウス)を磁界のg-mu Gl(

単位として使うこともよく行われます.電磁気学に

は, EII対応系 (電界E,電束密度D,磁界H,磁束密

度βの四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の三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

いで磁束密度を表す Bを用いるのです .BはSIとcgs

の換算が簡単 (1T- 00 Gl[] 1,00【 )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.

この連載では, EH対応の SI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を使い

ます.

Q3:なぜ磁界をA/mと電流で表すのですか ?

A: 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.距離 rだけ離れた磁荷 ql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-

kqq/2 l2l2rで与えられます.kは定数です. qqが同符

号なら反発し,異符号なら引き合います.磁極 qlが

つくる磁界 H中に置かれた磁極q 2に働 く力 FはF-

q2 l q/2月で与えられるので,qの作る磁界はH-klr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,4打r2B-qlとな り,磁界は

H-ql4rLrで表されるのでクーロンの式の係数kは/7Fo2

k-1/4wFL｡であることがわかりました*2.

*2I. L-7XI1【 m]Lは真空の透磁率でI 04r O7H/ です.

q2

(a) 二つの磁荷 qlとq 2の間に働く力

(b) qlによる磁界Hがq2に力

単磁 Fi を与えると考えるFig.g7.8磁界を力によって定義する. 電流による磁界の定義

霊大工利 レギー嶋 l M60甘】 【kJn胡

1910 1930 1950 1

Fig. 970 1990 201O9 永久磁石のエネルギー積 BHnaxの変遷. ( E]本人の活躍が目立つ)

佐藤勝昭 ｢理科力をきたえる Q&A｣ (ソフトバンク

Fi出典 :.0として定義される クリエイティg1高梨弘毅 ｢磁 . ブ,モーメント磁化は単位体積当たりの磁気

Fig.11 仮想的な磁石の微細化の極限が磁気モーメントとなる.

B=poH

(a)真 空 中

Fig1 a真空中と () ..2 () b磁化Mの磁性体における磁束密度 B

J O n i O 1 T sE-Td-fTHsnOd= -nHcoOとなりますが,ポテンシャルの原

てもよいので E-一m･ 点はどこにとっHと磁気モーメントと

のベク トル内積で表すこ 磁界

とができます.爪が磁性の最小単位である磁気モーメントです.単位は ElJ]-

-mWl

bx × Nm]m]Hl第 2回に述べるように,原

ントが作るのと等価な磁界を子には,この磁気モーメ

作 り出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

運動量量子数で記述します. りに,角磁束密度β

Q7 と磁化〟:磁化曲線の縦軸として

βが使われている図があ磁化〟ではなく,磁束密度

教えてください. りますが,βと〟の関係を

A:Fig.12に示すように磁界 Hのあるとき,真空

磁束密度は Fo 中のLHですが,磁化 Mの磁性体の中の磁

el 磁性の分類

やようとします.このような性質を反ma 三ンン銅やアルミニウムなど導電性の物体に磁磁界を加える A反磁性 ( と,物質内に回転する電流が生じて,磁界の変化を弱di二 幸 i苦m) L≡

lT ba

istgnea ここ～二二垂.史-1=L串p脅L -==内yこ凱t芦-デ,.Mw三夢≡V巧鴨 男 怠 .こ≡ ､==軸驚伽L≡重∴:宰 笑 性と呼びま三呈 党⊥反稔性の起涼野pHl=-/三 ゝq .Am申 哀 L-郎 コ-＼=破u*:♂/-,プ二11､i

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冬=f*:A:::如敢

b).ダノ蔽界のあ

J7e,

㍉/～ma m)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 磁気モーメントは る場合磁気モーメ

磁気モーメントをもっており,強い磁界を加えると磁 完全にランダムな 全休と ントが少し向きを向く ずつ砥界方向に向き,

性と呼ばれる常磁性が見られます'界方向に向きを変えて,磁界に引きつけられる性質,ように磁石に引き寄せられます.バナジウム,白金な a惑 ≧露 凝 - .妄摘ここ 定義 葱蓋 ≡して屯化をもつ藩 表常磁性をもちます.液体酸素も常磁性をもつので図の 題 ≡- ≡ ) … 葦どの金属においては,自由電子が起源のパウリの常磁 ≧ 涼〉 遷 ≒ 豪萱

istgnepara常磁性 ((ルビー ///＼＼ 蔽界のない場合 / ＼// ＼/(a) ＼＼-- /＼//＼ l

tng琵琶貰/S喜 bS ! S誉三豊孟髭Vl芝 f E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rr 言三警 吉蒜芸 l｢ 禦増 望触 る

+B(a)描 フエ. きeFl) A J 3∫L藍雪空雪空だ磁性の概 = lBサ イ ト2 ( …Fe)〟 ) +↓

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フェリ磁性 ( ma m)

雷管賢賢i ; ;;r_,;h化が打ち消されている磁性.磁化をもつ副格子Aと逆向きの磁化をもつ副格子 Bの重買左向きで全体では磁

できます. ね合わせと見ることが 棚

Ai BAt T BJライトや磁性ガーネットはその代表格です ..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 =

念 (b) フェライトのB E性

榊A判梅子 骨 B判格子a(

lebrra

) 反強碇性

E気モーメントの ()B格強磁界中で B b 1子 断が行わ 磁気共鳴することを用いてMRIという診 (スピン密度 リ磁性,反強磁性,らせん磁性, SDW

置くとリれていることはご存 じですね.強磁界中にンゴも浮き上がります.このよ 超伝導状 披),傾角反強磁性などに分類されます.

これをマイ態にある物質には磁束が侵入できません.

な物質も磁性をもつのです. うに,どん は 束は敵スナー効果と呼びます.第2種の超伝導でlに示す ように,協性は,反敵性,常徽性, 強磁磁性,フェ

h10ihyrgCop t ◎2 2byTeMa csitgne 束量子ヒして侵入します.この違観では,

Tablel つづき

らせん磁性 して磁化をもちません.(screw magnetism)磁気モーメントが一定周期で回転しているため全体と 百百㊥舷 を6)DW:pndniywae 蛋+ n r ～ 一電子のスピンの大きさと向きが波状に分布している状スピン密鹿波 (S si est V) (r) ～_() m= 完+

雲..るR雷管志忘諾 笠荒 迄監 禁 'ErL;MJn?S諾 量 + 一ト-+ A- t 一一t 義_+スピン密度波の周期αは必ずしも結晶格子の周期比 一致しない. ■一

傾角反強磁性 ( t t rro g ei a芋 1副格子磁磁化とと垂直方向に正味の角反強反強磁性において二つの副格子磁化磁 が化が 傾いたために,れる● 性 canedanife ma生じる場合を傾ntsm) l - 洲 a.ー呼ぶ.希土類オルソフェライト等に見ら

マイスナー効果は扱いません.

磁石につく磁性体Q9: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

か? れですA:実際に使われる磁石にくっつく

のうち,自発磁化をもつ強磁性体磁性体は,上の表

す.磁石につくという点では,オとフェリ磁性体で

ど傾角反強磁性体もくっつきますルソフェライトな

いです.鉄やコバル トなどは,磁が磁化は非常に弱

原子の磁気モーメン トの向きがそ界を加えなくても

化があるのです.これを鉄の ろっているため磁

ferromagnet (強磁性体)といい磁性 という意味で

では,隣り合う原子磁気モーメンます.フェライ ト

(互いに逆方向に)そろえあっていトが反強磁性的に

でモーメントの大きさが異なってるのですが,両者

して正味の自発磁化が残っていまいるため,全体と

イトの磁性という意味でf manす.これをフェラterri ge

といいます.ふつう磁性体といえば (フェリ磁性体)

リ磁 ,強磁性体とフェ

性体を指します.一方,反磁性体,反強磁性体な

もたないので,弱い磁界ではくっどは,自発磁化を

つきませんので,非磁性体と呼ばれます.常磁性体は, T

た液体酸素のように低温,強磁界の ablelに掲げ

つきますから,非越性体と呼ぶべ 下では磁石にくっ

が,室温,弱い磁界においては非磁性体として扱うきではありません

ことができま

自発磁化O す.QI:前の質問に出てきた自発磁化を説明して

偶 強題 瓢 う) ｣

ろっている状態です.これは,磁メントの向きがそ

しの間にそろえあう力が働いてい気モーメントどう

磁化は強磁性体において見られまるためです.自発

も,同じ磁気モーメントの向きのす.反強磁性体で

中では自発磁化があるが,もう一集団 (副格子)の

磁化と打ち消 し合って,マクロのつの副格子の自発

ます.フェリ磁性体では,副格子磁化が失われてい

崩れているために,差し引きの結磁化のバランスが

果,正味の自発磁化が残っています.自発磁化の起源については第3回

に詳述します.

1 参 考 書. 志村史夫監修/小林久理鼻著 :したしむ磁性.朝倉書店,

2 1999. 磁気工学入門-磁気の初歩. 高梨弘毅著 :めに - (現代講座 ･磁気工学).共立出 と単位の理解のた

3. 長岡洋介著 :電磁気学Ⅰ 電場 と磁場 版(物,2008. 岩波書 理入門コース) .

店,1982.4. 佐藤勝昭編著 :応用物性 (応用物理学シリ

筆者 :高橋研).オーム ーズ)第 5章 (敬5 光と磁気 社(,1991.現代人の.佐藤勝昭著 : 改訂版)(

朝倉書 物理シリーズ) .

0. 1店,201(201年

佐藤勝昭 1月12日受理)

1966 さとう かつあき京都大学大学院工学研究科修士課程修了工学

日本放送協会,1984 東京農工大学助教授,1 博士,1966

2005 同理事 ･副学長,2007 同退職 ･名誉教授9,89 同教授.

技術振興 2007 科学

機構現在に至る .主な著書 光と磁気,応用物性,金色の石に魅

をきたえるQ&A, せられて,理科力

86 ください. A:磁界を加えなくても磁気モーCprht @2 2b h geisScey 太陽電池のキホンoyig 01 yTeMantc oit