「磁性」の版間の差分

[[物理学]]において、'''磁性'''（じせい、[[英語|英]]：magnetism）とは、[[物質]]が原子あるいは原子よりも小さいレベルで[[磁場]]に反応する性質であり、他の物質に対して[[引力と斥力|引力や斥力]]を及ぼす[[性質]]の一つである。'''磁気'''（じき）ともい言う。

磁性は様々に分類がなされている。例えば、磁性の分類の中でも最もは[[強磁性]]がよく知られている[[強磁性]]の場合が、強磁性を持つ物質は自ら持続的な[[磁場]]を生み出す。しかし得る。また、電流ながらどによっても磁場は発生する。ところで、あらゆる物質は程度の差こそあれ、磁場によって何らかの影響を受ける。磁場に引き付けられる物質もあれば（[[常磁性]]）、磁場に反発する物質もある（[[反磁性]]）。さらに、磁場と複雑な関係を有する物質もある。しかも、ある物質の磁性状態（または相）は、温度（あるいは圧力や周囲の磁場）に依存するため、1つの物質であっても温度などの条件によって様々な磁性を示すことがある。ただし、ほとんどの場合、磁場によって物質が受ける影響は、特別な装置を使わなければ検出できないほど小さい。中でも、磁場の影響が無視できる物質は非磁性 (non-magnetic) 物質と呼ばれる。、これには例えば、[[銅]]、[[アルミニウム]]、一般的な[[気体]]、[[合成樹脂]]などが含まれる。非磁性物質に対して、特別な装置など使わずとも容易に分か判るほど強い磁性を示す物質（強磁性物質）として、[[鉄]]やある種の[[鋼]]のような人工的な[[鉄]]合金がよく知られている。また、[[磁鉄鉱]]（天然磁石）や[[磁硫鉄鉱]]などといった[[鉱物]]なども強磁性物質であり、その名に「磁石」の「磁」がよく知られ付いている。全ての物質はことからも明らかなように、人間が手を加えるまでもなく、[[磁場力]]によを持って多かいることが見て取れ少なかる磁石が天然に生成され影響を受けるが、ほとんどの場合、その影響は特別な装置を使わなけもあることが知られば検出できないほど小さている。

1600年、[[ウィリアム・ギルバート (物理学者)|ウィリアム・ギルバート]]が ''[[:en:De Magnete|De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure]]''（磁石及び磁性体ならびに大磁石としての地球の生理）を出版。その中で地球をモデル化した [[:en:terrella|terrella]] を使った様々な実験結果を示している。そういった実験により、彼は地球自体が磁性を持っていて、それによって[[地磁気]]が発生して方位磁針が北を指すのだと結論付けた。それまでヨーロッパでは、方位磁針を引き付けているのは北極星（[[ポラリス (恒星)|ポラリス]]）だという説や北極にある巨大な磁石でできた島だという説が信じられていた。

物体が磁性を持つ物理的原因は、電流の場合とは異なり、[[原子]]に生じる磁気双極子である。原子スケールでの磁気双極子、あるいは[[磁気モーメント]]は、電子の2種類の運動によって生じる。1番目は[[原子核]]の周りを回る電子の軌道運動である。これは電流のループと見なすことができ、原子の軸方向に軌道磁気モーメントを生じる。2番目の、もっとずっと強い磁気モーメントの源は、[[スピン角運動量|スピン]]と呼ばれる量子力学的な性質である。これはスピン磁気モーメントと呼ばれる（ただし現代の量子力学の理論では、電子が実際に物理的に自転したり原子核の周りを軌道運動したりするとされているわけではない）。なお原子核にも磁気モーメントは存在するが、一般に電子のそれの数千分の1の強さしかなく、物質の磁性にはほとんど影響しない。しかし、例えば[[核磁気共鳴]] (NMR) や[[核磁気共鳴画像法]] (MRI) は、その原子核の磁気モーメントを利用している。

強磁性体も常磁性体と同様に対でない電子を持つ。したがって、磁場に置かれたときにそれらの磁気モーメントが一定方向にそろう性質を持つが、同時にエネルギー状態を低く保とうとしてそれぞれの磁気モーメントが互いに揃おうとする傾向がある。そのため、磁場を除いても物質内の電子が同じ向きを維持し続け、永久磁石となり得る。

十分強力に[[磁化]]されると、1つの磁区が支配的となって飽和磁化状態となる。ただし、磁化された強磁性物質を熱して[[キュリー温度]]を超えると、分子が揺り動かされて磁区を形成できなくなり、強磁性は失われる。

[[マグネター]]と呼ばれる非常に強い磁場を持つ星[[天体]]も存在すると考えられている。

磁場は[[エネルギー]]を蓄える。物理系は普通、エネルギーが最小となる配置で安定となる。そのため、[[磁気双極子]]を磁場の中に置くと、磁場と反対の方向に自らの磁極を向けようとし、これによって正味の磁場の強さをできるだけ打ち消して磁場に蓄えられるエネルギーを小さくしようとする。例えば、2つの同じ[[棒磁石]]を重ねると普通、互いのN極とS極がくっついて正味の磁場が打ち消されるようになり、同じ方向に重ねようとする力には逆らおうとする。（これが、方位磁石として使われる磁石が地球磁場と作用して北と南を向く理由である。）なお、2つの同じ磁場を持った棒磁石を無理矢理同じ方向に重ねた場合、2つの棒磁石を同じ方向で重ねるために使われたエネルギーは重なった2本の磁石が作る磁場に蓄えられ、その強さは1本の磁石の2倍になる。（これが、方位磁石として使われる磁石が地球磁場と作用して北と南を向く理由である。）

棒磁石が強磁性を持っているのは、棒全体に電子が均一に分布しているからであり、棒を半分に切ってもそれぞれの断片が小さい棒磁石になる。（N極側とS極側で色分けがなされたデザインの棒磁石も存在するが、仮に色が分けられている場所で切断したとしても、それぞれの色の2本の棒磁石ができるだけである。）いずれにしても磁石にはN極とS極がありできてしまい、磁石を切断してもN極とS極を分離することはできない。もしも[[磁気単極子]]というものが実在するならば、全く新たな磁気効果を生じるだろう。それはN極またはS極がもう一方と対ではなく単独で存在するものを指す。1931年以降2010年現在まで磁気単極子の体系的な探索が行われてきたが、未だに発見されておらず、実在しないと見られている<ref>{{cite journal |last=Milton |first=Kimball A. |title=Theoretical and experimental status of magnetic monopoles |journal=Reports on Progress in Physics |volume=69 |issue=6 |month=June |year=2006 |pages=1637–1711 |doi=10.1088/0034-4885/69/6/R02 |url= http://arxiv.org/abs/hep-ex/0602040}} - Milton はいくつかの決定的でない事象に言及し (p.60)、「磁気単極子が存在したという証拠は全く残っていない」と結論している (p.3)。</ref>。

以上のような通常の経験に反して、いくつかの理論物理学のモデルでは'''[[磁気単極子]]'''（モノポール）の存在を予言している。[[1931年]]に[[ポール・ディラック]]は、電気と磁気にはある種の[[対称性]]があるため、[[量子電磁力学|量子論]]によって単独の正あるいは負の[[電荷]]の存在が予言されるのと同様に、孤立したS極あるいはN極の磁極も存在するはずだ、と述べた。しかし実際には、荷電粒子は[[陽子]]と[[電子]]のように個々の電荷として容易に孤立して存在できるが、SとNの磁極はばらばらには現れない。ディラックは量子論を用いて、もしも磁気単極子が存在するならば、なぜ観測される[[基本粒子|素粒子]]が電子の電荷の整数倍の電荷しか持たないのか、という理由を説明できることを示した。なお、[[クォーク]]は分数電荷を持つが、自由粒子としては観測されない。

* [[ガウス]] – 磁場（[[磁束密度]]）の[[CGS単位系|CGS]][[物理単位|単位]]。

* [[エルステッド]] – [[磁場]]の強さのCGS単位。

* [[マクスウェル (単位)|マクスウェル]] – [[磁束]]のCGS単位。