永久磁石の仕組み
永久磁石は、物質内の原子またはイオンの磁気モーメントの整列によって機能します。これらの磁気モーメントは、電子のスピンと核の周りの軌道運動から生じます。多くの材料では、個々の原子またはイオンの磁気モーメントはランダムに向いており、結果として全体の磁気モーメントはゼロになります。しかし、永久磁石では、磁気モーメントの大部分が同じ方向に整列し、強力な磁場を生み出すネットの磁気モーメントを作り出します。
磁気ドメインの概念
永久磁石の動作を理解する鍵は、磁気ドメインの概念にあります。磁気ドメインとは、磁気材料内の磁気モーメントが同じ方向に整列している領域です。永久磁石では、これらの磁気ドメインがその磁場が相互に強化し合うように整列しており、強力な外部磁場が生じます。磁気ドメインの整列は、交換結合または交換相互作用と呼ばれる現象に帰せられます。これは、隣接する磁気モーメントの平行な整列を好む量子力学的効果であり、磁気ドメインの形成につながります。
永久磁石の材料の種類
- アルニコ磁石：アルニコ磁石は、アルミニウム（Al）、ニッケル（Ni）、コバルト（Co）の合金であり、鉄や銅などの他の元素を少量含んでいます。高い磁場、良好な温度安定性、脱磁への抵抗力で知られていますが、比較的もろく、現代のアプリケーションではより進んだ磁石材料にしばしば置き換えられています。
- フェライト磁石：フェライト磁石、またはセラミック磁石は、鉄酸化物（Fe2O3）とストロンチウム、バリウム、マンガンなどの他の金属元素との組み合わせから成ります。適度な磁力を持ち、腐食に強く、製造コストが低いため、冷蔵庫の磁石、ラウドスピーカー、小型モーターなどの日常用途に広く使用されています。
- レアアース磁石：レアアース磁石は、レアアース元素の合金から作られた高性能永久磁石のグループです。主に二つのタイプがあります：
- ネオジム磁石：ネオジム（Nd）、鉄（Fe）、ボロン（B）の合金で作られ、利用可能な最も強力な永久磁石の一つです。しかし、腐食しやすく、温度が高いと磁性を失う可能性があります。
- サマリウムコバルト磁石：サマリウム（Sm）とコバルト（Co）で構成され、高い磁力、優れた温度安定性、そして良好な腐食抵抗性を提供します。しかし、ネオジム磁石と比較して高価で脆いです。
