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【サイエンス】3つの異なる磁石の種類―私たちの生活でどんな磁石が使われているか

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本記事は、3 Different Types Of Magnets
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約4分56秒

磁石とは、特定の距離から金属(鉄、ニッケルなど)を引き付けたりはじいたりする場を生み出す原料のことを言います。この目に見えない場は、磁場/磁界と呼ばれ、磁石の基盤となる特性に大きな関係を持っています。

 

古代の人々は、少なくとも紀元前500年から磁石を活用していて、現在知られているこのような原料の最も初期的な記述と性格は、約25世紀前の中国、インドそしてギリシャからきています。しかし、人口の磁石はかなり近代である1980年代につくられました。

 

もちろん、全ての磁石が同じ物体で構成されているわけではありません。磁石の構成と磁気の源によって異なる部類に分けられます。以下に、3つの主な磁石の種類を詳細リスト化し、その特性、強み、そして産業上または一般的な応用法についてまとめました。

 

 

1.永久磁石

 

一度引き付くと、永久磁石は長時間その磁気を維持できます。磁気を与え、自らの持続的な磁場を生み出すことができる原料からつくられています。

 

普段、永久磁石は4つの異なる原料でつくられています。

 

 

Ⅰ)フェライト磁石

 

 

フェライト磁石(またの名がセラミック磁石)は電気を通して隔離することができます。色はダークグレーで、鉛筆の先のような形をしています。

 

フェライト磁石は通常、マンガン、バリウム、亜鉛やニッケルなどの金属要素とたくさんの酸化鉄を混ぜてつくられた強磁性セラミックのことを言います。中にはストロンチウムやバリウムフェライトのような結晶構造を取り入れているフェライトもあります。

 

フェライト磁石は、その性格のおかげでとても人気があります:腐食することもないため数多くの商品の寿命を延ばすため使用されています。そして温度が極度に高い環境で使われます(摂氏300度まで)。このような磁石の生産コストは低く、大量生産で生産される場合は特に低価格になります。

 

また、磁気の特性によって“ハード”、“セミハード”または“ソフト”フェライトに細分することができます。

 

ハードフェライトは磁気を取り除くのが難しいことから、高い抗磁力を持っています。小型の電気モーターや拡声器などの道具に磁石をつくるために使用されます。ソフトフェライトは逆に抗磁力が低いので電子誘導子、変圧器や様々なタイプのマイクロ波成分をつくるのに使われています。

 

 

Ⅱ)アルニコ磁石

 

 

アルニコ磁石は、Al-ni-coの名前の通りアルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)そしてコバルト(Co)から構成されています。多くの場合チタンと銅を含んでいます。セラミック磁石とは違って、電気の伝導性があり高い融解点を持っています。

 

分類するために(アルニコ磁石の磁気の特性と化学組成により)、磁性材料製造業者協会(略:MMPA)がアルニコ3、またはアルニコ7の数字を与えています。

 

アルニコは、1970年代に希土磁石が開発されるまでは最も強力な永久磁石の種類でした。その磁極―最高0.15テスラ―で高い磁場の強さを生むことができると知られて、その強さは地球の磁場の3000倍です。

 

MK銅は、摂氏800までの高温環境で磁気性質を保つことができます。実際、赤熱した際でも磁気を保つことができる磁石はMK銅しか存在しません。

 

これらの磁石は、消費者向けや産業上で様々方法で使用されています:マグネトロン管、センサー、マイク、電気モーター、ギターピックアップ、拡声器、電子管、レーダー、そして進行波管などが例として挙げられます。

 

 

Ⅲ)希土磁石

 

 

名前からもわかるように、希土磁石は希土要素の合金からつくられています。1970年代に開発され永久磁石の中では最も強力な磁石です。その磁場は容易に1テスラを超えてしまいます。

 

希土磁石の種類は、サマリウムコバルトとネオジ鉄系磁石の2つに分かれます。どちらも腐食に弱く砕けやすいのが特徴です。それが理由で、剥がれたり壊れたりしないための層でコーティングされています。

 

サマリウムコバルト磁石は、プラセオジム、セリウム、ガドリニウム、鉄、銅そしてジルコニウムで構成されています。高温でも磁気性質を保つことができ、酸化に強いのも特徴的です。

 

磁気力が低いのと生産コストが高いのが原因で、他の希土磁石と比べると使用率は低めです。最近だと、永久磁石式核磁気共鳴分光計、最高位の電気モーター、ターボ機器、そして温度変化の結果に一貫性が欠かせない数々のものに応用されています。

 

ネオジウム磁石は逆に、中でも最も低価格そして最も強力な種類の希土磁石です。ネオジウム、ホウ素、鉄の合金からつくられた正方晶系の結晶構造をネオジウム磁石と言います。

 

サイズが小さく軽いため、現在技術での応用においてはフェライトやアルニコ磁石と取って代わって使用されています。例えば、コンピューターハードディスクのヘッドアクチュエータ、コードレスツールの電気モーター、自動Eシガレットの着火スイッチ、また携帯のスピーカーで現在ネオジウム磁石が使われています。

 

 

Ⅳ)単一分子磁石

 

 

20世紀の終わりになると科学者たちは、分子[常磁性金属イオンで構成される]の中には極度の低温環境でも磁気性質を示すものがあると学びました。理論的に言うと、磁区レベルで情報を蓄え、従来の磁石より密度の高い貯蔵媒体を生産することができます。

 

単一分子磁石は、マンガン、ニッケル、鉄、バナジウムそしてコバルト群で構成されます。単一次元鎖磁石のような鎖系の中には、高温で長時間磁気を保つことができるものがあると発見されています。

 

調査員たちは、そのような磁石の単分子膜を現在研究しています。単一分子磁石として徹底的な調査がされた早い段階での化合が、ドデカノール価数揺動物質のマンガンケージです。

 

これらの磁石の応用には様々な可能性が秘められています。量子計算、データ記憶装置、情報処理やMRI造影剤のような医学生物学への応用も考えられます。

 

 

2.一時磁石

 

 

物体には、弱い磁場でも簡単に引き寄せることができるものも存在します。しかし、磁場が取り除かれた場合、磁気は失われてしまいます。

 

一時磁石は構成によって異なります:磁場が存在する中で永久磁石の役割を果たすものすべてを指します。例えば、ニッケルや鉄のような柔らかい磁気材料は、外的な磁場が取り除かれた後はペーパークリップを引き寄せることはできません。

 

たくさんのスチール釘の近くに永久磁石を持ってくると、釘はまずお互いにくっついてから永久磁石にくっつきます。この場合、一つ一つの釘が一時磁石になり、永久磁石が取り除かれた際初めて、お互いにくっつくのを止めます。

 

一時磁石は主に、目的によって強度が異なる一時電磁石をつくるのに使用されます。また、くず鉄置き場で素材を分ける際や、高速電車やハイテク技術の現代技術に新しい工夫を加える際にも使われています。

 

 

3.電磁石

 

 

電磁石は、1824年にイギリスの科学者ウィリアム・スタージャンによって発明されました。その後、1830年代前半にアメリカの科学者ジョセフ・ヘンリーによってより高度な組織編成がなされ、一般化されました。

 

電磁石とは、電流が流されると磁石になる細かいコイル状のワイヤーのことを言います。電流が切れられると磁場がなくなることから、一時磁石としても見なされます。

 

電磁石が生み出した磁場の極性と強度は、ワイヤーを通る電流の方向とマグニチュードを変えることで調節できます。永久磁石と比べた際、電磁石が持つ利点です。

 

磁場を高めるため、軟鉄のような‘柔らかい’強磁性素材の核の周りにコイルは普段巻き付いています。ワイヤーが、1つ以上のループにコイルしている状態はソレノイドと呼ばれます。

 

これらの磁石の種類は、広範囲の電気/電気機械機器に使われており、ハードディスク、拡声器、トランスフォーマー、電鈴、MRI、粒子加速器そして様々な科学的精密機器が含まれます。

 

さらに電磁石は、鉄やスチールの廃棄物のような重たい物を動かしたり回収したりする産業目的でも使用されています。

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