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1 v3.0 Nov.2018 磁化と磁化電流 1 s 2011/04/22 L s 2018/11/28 1 ヒト 0 水分子 -9 H 分子 1802 年 O 神経細胞の蛍光顕微鏡写真 ( 銀河団に似ている ) H 1897 年 古代エジプトから伝わることば 素粒子の大きさ 1911 年 宇宙のしくみ新星出版社 p.158 原子核 As above, so below 上に在るがごとく下もかく在り (1 n) ナノテク 原子 : ギリシア語で ATOMO( 不分割 ) 酸素原子 - (1A ) 1932 年 20 年現在の科学レベルではクォークを単独で取り出せない超ひもが解明できれば すべて波動と振動数で説明できる? 人体は 60 兆の細胞から成り, 細胞 1 つあたりに 30 億の遺伝子 原子核 -14 d u u d u d クォーク ピコテク 年高速超振動する u ひも [Hz] 相良,L のはなし [ 第 2 版 ],p.3 よりミクロな世界へ極微世界 フェムトテク -15 (1 f) アトテク クォーク -18 超ひも? 縄跳びも高速回転すると楕円体に見える ( 粒子の素?) 2 (1 a) ( 刹那 ) 磁気ダイポールモーメントの根源 N 2 c Newon `` 磁石とスピン, pp.42-43, 2016/6. より引用 N N N N N N 原子核 鉄原子 -2 オーダー 分割数 分割数を増やしても一つあたりの磁石が小さくなるだけ - オーダー 2 33 惑星の自転に相当するのがのスピン -18 オーダー 雲 ループ電流モデル N B 球磁石モデル 3 磁気ダイポールモーメント 磁気モーメント nuc 小は無視できるほど小さい の電荷は負なので, スピンの方向と電流の向きは逆 軌道磁気モーメントスピン磁気モーメント eh B 9.27 A B 外部磁場 B B B e 強い磁場の発生 外部磁場を切ってもが崩れにくいものを永久磁石と呼ぶ 原, 理工系のための電磁気学,p.112, 学術図書 4 1 つあたりのスピン磁気モーメント ( ボーア磁子 )

2 磁性体の種類 液体窒素で冷却 (-270 ) したときに現れる完全反磁性体 ( 強力な反磁性 : マイスナー効果 )= 超伝導 反磁性体 0 Au, Ag, Cu, Pb, Hg, H 2 O, 常磁性体 0 O 2, Al, P, Pd, 強磁性体 0 フェロ磁性 Fe, Co, N, Gd, フェリ磁性 Ferre (FeO Fe 2 O 3, MnO Fe 2 O 3, ) 酸化鉄を主成分とする無機材料の総称 (1993 東工大 ) W. H. Hay, ``Engneerng Elecroagnecs 6 h., pp , McGraw-Hll, 反磁性体 外部磁場を加えると反対方向に僅かな磁場を発生する ( 捻くれ者 ) 前提 : 原子 1 つあたりの磁気モーメントは打ち消し合ってゼロ 0 nuc は無視でき るほど小さい の電荷は負なので, スピンの方向と電流の向きは逆 1. 外部磁場が上向きに加えられた場合 ( 左下 ) (1) ローレンツ力により軌道は外向きの力を受けるが, 量子化軌道は広がらないのでの速度が落ちる (2) 軌道電流が弱まる ( が小さくなって になる ) (3) 前提条件の釣合が崩れて, 外部磁場と逆向きに磁気モーメント が発生する F Grffhs ``nroducon o elecrodynacs 3 rd., pp prence hall, F 外部磁場 B B 2. 外部磁場が下向きに加えられた場合 ( 右上 ) (1) ローレンツ力により軌道は内向きの力を受けるが, 量子化軌道は狭まらないのでの速度が上がる (2) 電流が強まる ( が大きくなって になる ) (3) 前提条件の釣り合いが崩れて, 外部磁場と逆向きに磁気モーメント が発生する 6 前提 : 原子 1つあたりの磁気モーメントは打ち消されずに少し残っている 0 常磁性体 外部磁場を加えると同じ方向に僅かな磁場を発生する ( 素直者 ) nuc は無視できるほど小さい (1) 外部磁場が無ければ各磁気モーメントは任意の方向を向いているので, 全体として磁性は示さない (2) 外部磁場を加えると, 磁気モーメントが感応して外部磁場の方向に揃う (3) 外部磁場を切るともとの状態に戻る に戻る 7 前提 : 原子 1つあたりの磁気モーメントがうまく揃っていて大きいまま残っている 0 nuc は無視できるほど小さい 強磁性体 外部磁場を一旦加えると同じ方向に強い磁場を発生する ( 頑固者 ) (1) 高温 ( キュリー温度以上 ) であれば, 原子 1 つあたりの磁気モーメントが崩れた状態になり, 全体として磁性は示さない (2) 常温まで冷やしながら外部磁場を加えると, 原子 1 つあたりの磁気モーメントは外部磁場に感応して方向が揃う (3) 外部磁場を切っても大半は状態を維持する したまま 8 B 原子 1 個の電荷は負なので, スピ外部磁場あたりンの方向と電流の向きは逆 W. H. Hay, ``Engneerng Elecroagnecs 6 h., pp , McGraw-Hll, B の電荷は負なので, スピ外部磁場ンの方向と電流の向きは逆 W. H. Hay, ``Engneerng Elecroagnecs 6 h., pp , McGraw-Hll, 2001.

3 完全反磁性 ( 超伝導 ) 9 磁性体の種類 完全反磁性体 ( 強力な反磁性 : マイスナー効果 )= 超伝導体液体窒素中磁石の超伝導体 磁力線のイメージ 液体窒素などで冷却したとき ( 最低でも -200 以下 ) に現れる現象で ジュール損失がないことから エネルギー問題の根本解決に繋がる究極の技術として現在も研究途上である フェロ磁性体 : 磁気モーメントの方向が揃っていて 全体として強い磁性を示す磁性体 反強磁性 : 互いに逆方向の 2 種類の磁気モーメントが交互に配列し 全体としては磁化がゼロになる磁性体 フェリ磁性 : 互いに逆方向の 2 種類の磁気モーメントが存在し 交互に配列する磁性体 2 種類の磁気モーメントの大きさが異なっているため 全体としては有限の大きさの磁化が現れる ヘリカル ( スパイラル ) 磁性 : 磁気モーメントの方向が一定周期で回転している磁性体 スピングラス : 磁気モーメントの大きさ 方向が不規則であり 全体として磁化がゼロになっている磁性体 アモルファス磁性体もこの範疇に入る erway, 科学者と技術者のための物理学 (3) 電磁気学, p.883, 学術図書出版社 Lexus, 超伝導浮上ホバーボード CM より 井上, 伊藤, 現代講座 磁気工学 3 スピントロニクス基礎編,p.16, 共立出版, 超伝導体臨界温度の変遷 hp:// より引用 秋光先生 ( 青学大 ) 1 K/3 年 11 R R 抵抗の温度特性 l R ρ 0 :0 のときの抵抗率 [Ω ] ρ: 抵抗率 [Ω ] : 温度 [ ] ( セルシウス温度, セ氏温度 ) α: 抵抗率の温度係数 [1/ ] ( 1 上がるごとの抵抗率の変化量 ) 2 P R R 温度 を下げれば, 抵抗率 ρ=0 即ち, 抵抗 R=0 になる? 超伝導 このとき, 発熱 ( 電力消費 ) ゼロで幾らでも を流せる ジュールの法則 ( 発熱量は抵抗と電流の 2 乗の積に比例 ) hp:// 273 [ ] 0 0 [C] 12 傾き 0

4 磁化 磁化 agnezaon 物体は多くの磁気モーメント要素の集まりと見られるが 磁界の中に置かれたときそれらの配向が変化する 単位体積あたりの磁気モーメントを磁気分極 P といい それを真空透磁率 μ 0 で割った M=P /μ 0 を磁化と呼ぶ P の 単位は磁束密度と同じで [T]=[Wb/ 2 ],M の 単位は [A/] となる 磁界の強さ H は次式, H=(B/μ 0 )-M で定義される dvb=0 であるから dvh=dvm となる 強磁性体などの特別な場合を除いて 磁気的に等方性であるとみられる多くの物体では M, H, B は同じ方向となり それらの大きさに通常比例関係がある 電界の場合との対応で P は H に比例して誘発されると見て P =χ μ 0 H と書くと B=(1+χ )μ 0 H=μH と書ける μ は媒質の透磁率と呼ばれ 単位は μ 0 と同じで [H/] χ は磁化率とも帯磁率とも呼ばれ この場合無次元である 東京理科大学理工学辞典編集委員会編, 理工学辞典,pp.593, 日刊工業新聞社 s M b 磁化と磁化電流 厚みで面積 の薄い円板状の磁性体を考えると, 全体の磁気ダイポールモーメントは原子 1つあたりの磁気ダイポールモーメントの重ね合わせで表現できる 磁化 [A/] s s 等価 b b b 単位体積あたりの平均的な磁気ダイポールモーメントを M, 磁性体の側面を流れる等価電流を Jsb とすると, b M M J M nˆ b 1 磁化電流 [A/] M J sb 14 磁化 15 磁化電流 ( 表面磁化電流密度 ) 16 磁化 [A/] M 原子 1 つあたりの磁気ダイポールモーメント [A 2 ] 磁性体の全体積 [ 3 ] 磁化電流 [A/] 磁化 [A/] 磁性体を外向きに 貫く単位ベクトル J M nˆ b

5 磁化電流 磁化電流 [A] 磁化 [A/] 磁性体を外向きに貫く 単位ベクトル M dl C 17 P 分極と分極電荷 ( 復習 ) 厚みで面積 の円柱状の誘電体を考えると, 全体の電気ダイポールモーメントは分子 1つあたりの電気ダイポールモーメントの重ね合わせで表現できる p 等価 単位体積あたりの平均的な電気ダイポールモーメントを P, 誘電体の上下面に現れる分極電荷密度を σb とすると, 0 ˆ b P n 分極 [A/] 分極電荷密度 [C/ 2 ] P 18 分極 ( 復習 ) 19 分極電荷 ( 復習 ) 20 P 分極 [C/ 2 ] p 分子 1 つあたりの電気ダイポールモーメント [C/] 誘電体の全体積 [ 3 ] 分極電荷密度 [C/ 2 ] 分極 [C/ 2 ] Pnˆ b 誘電体を外向きに貫く単位ベクトル