物理理科

簡単にわかる「キュリーの法則」!式やランジュバンによる導出の過程について工学系院卒ライターがわかりやすく解説


すべての物質は、磁石の力によって何らかの磁気的性質を現すことは知っているな?これを「磁性」といい、いくつかの種類がありますが、中には温度によってその特性が変化するものもある。この記事では、磁石にはつかないものの、わずかに引き付けられる性質「常磁性」と絶対温度の関係を表した「キュリーの法則」に着目し、式の意味や導出の過程について深く掘り下げていく。そのほか、磁性に関する基礎知識についても、学生時代に磁気工学を学んでいたライターthrough-timeと一緒に解説していきます。

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、磁気工学を専攻していた経験と知識を生かし、キュリーの法則について分かりやすく解説していく。

物質の磁性と磁気モーメント

キュリーの法則について解説する前に、物質の磁気的性質「磁性」と、磁性を決める「磁気モーメント」について説明します。

磁性とは

磁性とは

image by Study-Z編集部

磁石による力磁力磁力がおよぶ一定の空間磁界磁場)、磁界によって物質が磁気を帯びる現象磁化帯磁)といいます。あらゆる物質は磁化しますが、その程度や状態は物質によってさまざまです。これを磁性といいます。

磁性の種類

磁性の種類

image by Study-Z編集部

磁性はいくつかの種類に分類されます。代表的な磁性が、強磁性常磁性反磁性です。

強磁性:磁界の向きと同じ方向に強く磁化する性質です。磁石につきます。
常磁性:磁界の向きと同じ方向に弱く磁化する性質です。磁石につきませんが、わずかに引き付けられます。
反磁性:磁界の向きと反対方向に弱く磁化する性質です。磁石に対しわずかに反発します。

このほか、磁化の仕方は常磁性に似ていますが、物性的には強磁性に近い反強磁性があります。

また、常磁性と反磁性においては、磁界Hとそれにより物質内に生じた磁化Iとの間に比例関係I=χHが成り立ち、常磁性の場合はχ > 0反磁性の場合はχ < 0です。この比例定数χ磁化率帯磁率)といいます。

磁気モーメントとは

磁気モーメントとは

image by Study-Z編集部

磁石としての強さと、S極からN極への向きを表すベクトル量が、磁気モーメントです。磁石はもちろんのこと、ループ状になった電流(円電流)電子分子、大きいところでは地球にも磁気モーメントがあります。

磁性を決めるのは、物質内の電子に由来する2つの磁気モーメントです

1つは、主に反磁性に寄与する軌道磁気モーメントで、電子が原子核周りを回る軌道運動が円電流となることから生じます。もう1つが、電子に固有のもので、常磁性・強磁性・反強磁性の要因となるスピン磁気モーメントで、軌道磁気モーメントよりずっと大きいものです。原子全体の磁気モーメントは、この2つの磁気モーメントを量子力学的に足し合わせたものになります。

常磁性・強磁性・反強磁性のスピン磁気モーメント

常磁性・強磁性・反強磁性のスピン磁気モーメント

image by Study-Z編集部

常磁性原子間のスピン磁気モーメントの間に相互作用がありません。磁界が0のとき、各原子のスピン磁気モーメントは熱による振動でそれぞれバラバラの方向を向いています。磁界をかけると、磁気モーメントは少しずつ磁界の方向を向くようになりますが、それでも熱振動の影響が大きいため、磁化はそれほど大きくなりません。

強磁性は、隣り合う原子のスピン磁気モーメントの間に、互いに同じ向きになろうとする力交換相互作用が強く働くため、大きな磁化を示します。一方反強磁性は、隣り合うスピン磁気モーメントの間に、互いに反対向きになろうとする力が働き、互いに打ち消し合ってしまうため、磁界をかけても磁化が弱いのです。

\次のページで「キュリーの法則について」を解説!/

次のページを読む
1 2 3
Share: