3分で簡単常磁性！特徴や原理、反磁性との違いも工学系院卒ライターがわかりやすく解説

ライター／through-time

工学修士で、言葉や文学も大好きな雑食系雑学好きWebライター。学生時代、磁性材料を研究していた経験と知識を生かし、常磁性について分かりやすく解説していく。

常磁性とは？

image by Study-Z編集部

磁石が物質に及ぼす力を磁力、磁力が作用する空間の状態を磁界（または磁場）といいます。そして、磁界によって物質が磁気を帯びる、すなわち磁石になる現象が磁化（または帯磁）です。

磁化するのは、鉄などの磁石につく物質だけではありません。磁石につかない物質も実は微弱ながら磁化しており、磁石にひきつけられるように磁化する性質を常磁性といいます。

3分で簡単磁石の仕組み！原理や実用例を交えて理系大学院卒ライターがわかりやすく解説

3分で簡単！磁化の仕組みとは？磁化率や磁気モーメント・磁性について工学系院卒ライターがわかりやすく解説

磁界は電流によっても作られます。導線が真っすぐな場合、生じる磁界は同心円状です。導線がループ状の場合は棒磁石と同じような磁界が発生します。また、磁界という表現は主に工学の分野で使われ、物理の世界では磁場と呼ぶことが多いです。筆者が工学系のため、本記事では磁界に統一します。

反磁性との違いは？

image by Study-Z編集部

常磁性とは逆に、磁石に反発するように磁化する性質が反磁性です。

常磁性、反磁性とも、磁界Hとそれにより物質内に誘発された磁化Iとの間に、I＝χHの比例関係が成り立ちます。このχを磁化率（または帯磁率）といい、常磁性の場合はχ > 0、反磁性の場合はχ < 0です。どちらの磁性も大変弱いものですが、実験装置で物質の磁化を測定してその磁化率を求めることで、常磁性か反磁性かを判別できます。

常磁性を示す物質

image by iStockphoto

常磁性を持つ物質（常磁性体）は数多くあります。もっとも身近な物質は酸素です。また、常磁性を示す元素の例を以下に示します。

アルカリ金属：リチウムLi　ナトリウムNa　カリウムK　ルビジウムRb　セシウムCs
アルカリ土類金属：カルシウムCa　ストロンチウムSr　バリウムBa
遷移金属：スカンジウムSc　チタンTi　バナジウムV　イットリウムY　ジルコニウムZr　ニオブNb　モリブデンMo　テクネチウムTc　ルテニウムRu　ロジウムRh　パラジウムPd　ハフニウムHf　タンタルTa　タングステンW　レニウムRe　オスミニウムOs　イリジウムIr　白金Pt
その他の金属：マグネシウムMg　アルミニウムAl

地表に一番多い元素「酸素」について元研究員がわかりやすく解説

中学理科の記述問題で頻出！「金属」であることの条件を元塾講師がわかりやすく解説

リチウムイオン電池で話題のリチウムも含む「アルカリ金属」とは？その特徴と豊富な用途を未来の科学者ライターがわかりやすく解説！

3分で簡単にわかる「アルカリ土類金属」！元素の特性や炎色反応も元家庭教師がわかりやすく解説

3分で簡単「金属元素」！元家庭教師がわかりやすく解説

常磁性の原理

image by iStockphoto

物質の磁気の起源となるのは、物質内の磁気モーメントです。磁気モーメントとは、磁石の強さとその向きを表すベクトル量で、S極からN極に向いています。

磁気モーメントを持っているのは、永久磁石やループ状の電流（円電流）、電子や分子などです。地球にも磁気モーメント（地磁気）があり、それにより発生する磁界は地球の生命を守る役割を果たしています。

磁気モーメントの起源

image by Study-Z編集部

磁気を主に担うのは、軌道磁気モーメントとスピン磁気モーメントです。

前者は原子核を周回する電子が円電流に相当することから生じ、主に反磁性に寄与します。後者は電子に固有の磁気モーメントで、常磁性やほかの磁性において重要な役割を果たすものです。原子の磁気モーメントはこの2つの磁気モーメントの量子力学的総和になります。

ほかにも、原子核が持っている核磁気モーメントがありますが、電子に起因する前述の2つに比べ非常に小さいため、磁気の担い手としての役割はほぼありません。この磁気モーメントは、固有の周波数の電磁波と共鳴する、いわゆる核磁気共鳴を起こします。MRIなどに利用されていますね。

スピン磁気モーメントとは

スピン磁気モーメントについて、もう少し解説します。

量子論が確立する以前、この磁気モーメントは電子の自転運動（スピン）によるものと考えられていました。しかし、実験で計測されたスピン磁気モーメントの大きさは、この解釈から導き出されるものよりはるかに大きく、電子の自転運動、ひいては古典電磁気学では説明できなかったのです。その後、電子の性質に量子論的な概念が導入され、理論と実験により実証されたそれに「スピン」の名が付きました。

スピンの状態は2つあり、それぞれ「上向き」と「下向き」と表現されますが、便宜上そうラベリングしているだけで、実際の方向とは関係ありません。

スピンに量子的な意味が与えられた現在でも、スピン磁気モーメントを分かりやすく説明するために「電子の自転運動」の解釈が使われることがあります。

不対電子とは

image by Study-Z編集部

原子核を周回する電子の軌道を原子軌道といいます。多電子原子は多くの原子軌道を持ちますが、量子力学的には1つの原子軌道につき2つの電子しか収容できない上、互いが逆向きのスピンを持っていなくてはいけません（パウリの排他律）。軌道が2つの電子によって占有された状態を電子対、軌道に1つしか入っておらず電子対を作っていない電子を不対電子と呼びます。

電子対においては互いの電子のスピンが逆向きのため、スピン磁気モーメントも逆向きで打ち消し合い、差し引き0です。一方、不対電子のスピン磁気モーメントはそのまま残ります。つまり、原子全体のスピン磁気モーメントは不対電子の数で決まるのです。

もともと、あらゆる物質は弱い反磁性を持っていますが、スピン磁気モーメントを持っていると、そちらの方が大きいために打ち消されてしまいます。反磁性体と呼ばれる物質は、もともとの反磁性が表れているだけにすぎません。

常磁性の種類

常磁性はその起源によって種類が分かれます。主な2つを解説しましょう。

キュリー常磁性：スピン磁気モーメントが熱振動

image by Study-Z編集部

磁化率の温度依存が、後述のキュリーの法則で表される常磁性で、ランジュバン常磁性ともいいます。イオン結晶や絶縁体によく見られる磁性です。

隣り合ったスピン磁気モーメント同士に相互作用がないので、磁界が0のとき、スピン磁気モーメントは自由に熱振動してバラバラの方向を向いています。そのため磁化も0です。磁界がかけられると熱振動が抑えられ、スピン磁気モーメントが少しずつ磁界の方向に向くようになります。

キュリーの法則とは

image by Study-Z編集部

キュリー常磁性体の磁化率χは温度に反比例します。これをキュリーの法則（Curie's law）といい、キュリー定数Cは物質に固有の値です。この関係式は、キュリー夫人の夫であるピエール・キュリーが実験的に発見し、後にポール・ランジュバンが理論的説明を与えました。