硬質磁石とも呼ばれる永久磁石は、外部磁場を必要とせずに長期にわたって磁性を保持する材料です。磁気を維持するこの能力は、独自の内部構造と磁気材料を管理する物理的原理の結果です。恒久的な磁石が磁気を維持する方法を理解するには、原子およびドメインレベルの動作、および設計の背後にある材料科学の調査が必要です。
原子レベルの磁気
原子レベルでは、磁気は電子の動きから生じます。電子には2種類の動きがあります。核の周りの軌道運動と、自分の軸の周りの動きを回転させます。どちらの動きも、磁気モーメントとして知られる小さな磁場を生成します。ほとんどの材料では、これらの磁気モーメントはランダムに配向されており、互いにキャンセルされ、ネットマグネチズムはありません。ただし、強磁性材料（鉄、ニッケル、コバルトなど）では、隣接する原子の磁気モーメントが同じ方向に整列し、正味の磁場を持つ領域を作成します。
磁気ドメイン
強磁性材料では、原子磁気モーメントのアライメントは材料全体で均一ではありません。代わりに、材料は磁気ドメインと呼ばれる小さな領域に分割されます。各ドメイン内で、磁気モーメントは同じ方向に整列されており、ドメインに正味の磁場を与えます。ただし、磁化されていない状態では、ドメイン自体がランダムに配向されているため、材料全体が正味の磁場を示すものではありません。
外部磁場が強磁性材料に適用されると、フィールドと整列するドメインはサイズが大きくなり、整列していないドメインは収縮します。このプロセスは、ドメインウォールの動きとして知られています。外部フィールドが十分に強い場合、すべてのドメインが同じ方向に整列し、材料全体の正味の磁場になります。外部フィールドが削除されると、材料の強力性が高いため、ドメインは整列したままです。これは、消磁になることに対する抵抗です。このアライメントは、永久磁石に磁気を維持する能力を与えるものです。
ヒステリシスと強制性
恒久的な磁石がその磁気を維持する能力は、そのヒステリシスループと密接に関連しています。これは、材料の磁場強度（h）と磁気束密度（b）の関係を示すグラフです。ヒステリシスループは、材料が外部磁場にどのように反応するか、およびフィールドが除去された後に磁化を保持する方法を示しています。
ヒステリシスループの重要な特徴は、材料の磁化をゼロに減らすために必要な逆磁場の量である強制性です。永久磁石は強制性が高いため、それらを消化するために強力な逆フィールドが必要です。この高い強制性は、材料の結晶構造と、領域が所定の位置にある欠陥または不純物の存在の結果であり、それらが簡単に再配向するのを防ぎます。
材料組成と微細構造
恒久的な磁石が磁気を維持する能力は、その材料組成と微細構造の影響を受けます。一般的な永久磁石材料には、フェライト、アルニコ（アルミニウム - ニッケルコバルト）、およびネオジム鉄ボロン（NDFEB）やサマリウムコバルト（SMCO）などの希土類磁石が含まれます。これらの材料は磁気異方性が高く、磁気モーメントが特定の結晶学的方向に沿って整列することを好むことを意味します。この異方性は、細粒の微細構造と組み合わされて、ドメインを所定の位置にロックするのに役立ち、外部フィールドがない場合でも磁石が磁性を保持することを保証します。
環境要因
永久磁石は磁性を維持するように設計されていますが、特定の環境要因はパフォーマンスに影響を与える可能性があります。たとえば、高温では、熱エネルギーが磁気ドメインのアライメントを破壊し、磁気の喪失につながる可能性があります。この温度しきい値はキュリーの温度として知られており、その上では材料が強磁性特性を失います。機械的な衝撃、腐食、強い外部磁場への曝露も、時間の経過とともに磁石の性能を低下させる可能性があります。
結論
永続的な磁石は、これらのドメインを所定の位置にロックする磁気ドメイン、高い強制性、および材料特性の整合により、磁性を維持します。原子レベルの磁気モーメント、ドメイン行動、および材料科学の相互作用により、永久磁石が長期にわたって磁場を保持できるようになります。ただし、パフォーマンスは環境要因の影響を受ける可能性があり、特定のアプリケーションに適した材料と設計を選択することの重要性を強調しています。技術が進むにつれて、さらに強力と熱安定性を備えた新しい磁気材料の開発は、さまざまな産業の永久磁石の可能性を拡大し続けています。
