磁石は何に使うの？
磁石を面白いと思うかもしれないし、興味がないと思うかもしれません。
身の回りには、磁気や電磁気を利用しているものがたくさんあることに驚くかもしれません。
電動歯ブラシや芝刈り機など、モーターを搭載した電気製品には、電気を動かすために磁石が使われています。 その磁界が永久磁石の固定磁界とぶつかり、モーターの内部を高速で回転させるのです。
冷蔵庫の中にはドアを閉めるための磁石が入っています。 コンピュータのハードディスクや、昔のパーソナルステレオのカセットテープのデータ（デジタル情報）を読み書きするのも磁石です。 磁石は、パソコンのハードディスクや昔のステレオのカセットテープのデータ（デジタル情報）を読み取ったり、書き込んだりします。 内科的な病気の場合、NMR（核磁気共鳴）と呼ばれるボディスキャンを行うことがあります。これは、磁場のパターンを使って皮膚の下の世界を描き出すものです。
Photo: このようなNMRスキャンは、患者の体（この場合は頭）の組織内の原子の磁気活動を利用して、コンピュータの画面上に詳細な画像を構築するものです。 上の写真は患者がスキャナーに入っているところで、下の写真は患者の頭部の画像です。
磁性体とはどのようなものか
鉄は磁性体の王様であり、磁石といえば誰もが思い浮かべる金属です。 他の一般的な金属（銅、金、銀、アルミニウムなど）は一見すると非磁性体であり、非金属（紙、木、プラスチック、コンクリート、ガラス、綿やウールなどの繊維製品）もほとんどが非磁性体です。 磁性金属は鉄だけではありません。 ニッケルやコバルト、周期律表（化学者が既知の化学元素を整理したもの）の希土類金属に属する元素（サマリウムやネオジムなど）も良い磁石になります。 磁石の中には、これらの元素と他の元素との合金（アロイ）もある。 フェライト（鉄、酸素、その他の元素からなる化合物）も優れた磁石である。
鉄のような物質は、磁石を近づけると一時的によい磁石になりますが、磁石を離すと一部または全部の磁気が失われる性質があります。 一方、鉄の合金や希土類金属は、磁場から離してもほとんどの磁気を保持しているので、永久磁石になりやすい。
すべての物質は磁性を持つか持たないかのどちらかであるというのは正しいのでしょうか。
昔はそう思われていましたが、今では非磁性と思われている物質も、非常に弱いながらも磁気の影響を受けていることがわかっています。
物質の違いによる磁気への反応
科学者たちは、物質を磁石に近づけたとき（別の言い方をすれば、磁場の中に入れたとき）の振る舞いをさまざまな言葉で表現しています。 大雑把に言えば、すべての物質は常磁性体と反磁性体という2種類に分けられ、常磁性体の中には強磁性体もある。
常磁性
磁性体のサンプルを作り、それを糸で吊るして磁界の中でぶらさげると、磁化して磁力が磁界と平行になるように整列します。 何千年も前から知られているように、コンパスの針は地球の磁場の中ではまさにこのような挙動を示す。 このような性質を持つ物質を常磁性体という。 アルミニウムなどのほとんどの非金属は、磁性がないと思われていますが、実は常磁性を持っています。
写真。 私たちは、飲み物の缶に使われているアルミニウムを非磁性体と考えています。 磁石がつかないアルミ缶と、磁石がつくスチール缶を分別してリサイクルするためです。 実は、どちらの素材も磁気を帯びています。 アルミは非常に弱い常磁性体、スチールは強い強磁性体という違いがあります。 Photo courtesy of US Air Force.
強磁性
鉄や希土類金属に代表される常磁性体は、磁場で強く磁化され、磁場を除去しても磁化が持続する。 このような物質を強磁性体と言いますが、これは「鉄のように磁気を帯びている」ということに他なりません。 しかし、強磁性体であっても、キュリー温度と呼ばれるある一定の温度以上に加熱すると、磁気を失ってしまう。 鉄のキュリー温度は770℃で、ニッケルのキュリー温度は355℃です。 鉄の磁石を800℃に加熱すると、磁石としての機能を失います。
反磁性
常磁性体や強磁性体は、磁気の「ファン」であると考えることができます。 しかし、すべての物質がそのように反応するわけではない。 ある物質を磁場の中に吊るすと、内部でかなり興奮して抵抗し、自らを一時的な磁石にして磁化に抵抗したり、外部の磁場に弱く反発したりする。 このような物質を反磁性体と呼ぶ。 水や、ベンゼンなどの有機物（炭素系）の多くはこのような性質を持っています。
20世紀初頭、まだ原子の構造や働きがよくわかっていなかった科学者たちは、「ドメイン理論」というわかりやすい考え方で磁気を説明しました。 数年後、原子の理解が進むと、ドメイン理論は有効だが、より深いレベルでは原子の理論で説明できることがわかったのです。 私たちが目にする磁気のさまざまな側面は、最終的にはドメイン、原子中の電子、あるいはその両方の話で説明することができます。 この2つの理論を順に見ていきましょう。
ドメイン理論で磁気を説明する
どこかの工場で小さな棒状の磁石を作り、学校の理科の授業に出荷しているところを想像してください。 その工場のトラックを運転して、磁石が入ったたくさんのダンボールを別の学校に運ばなければならないデイブという男がいます。 デイブは箱の積み方を気にしている暇はないので、好きなようにトラックの中に箱を積みます。 箱の中の磁石は、北を向いているかもしれないし、隣の箱の磁石は、南や東や西を向いているかもしれない。
同じ工場にはビルというトラックドライバーがいますが、彼はとても変わっていて、整理整頓が好きなので、トラックへの積み方も変わっていて、箱をきれいに並べて積みます。 どうなるかわかりますか？ 1つの箱から出る磁界と他の箱から出る磁界が整列して、トラックが巨大な磁石になります。 運転席は巨大な北極、荷台は巨大な南極になります！
この2台のトラックの中で起こっていることは、磁性体の中で小さなスケールで起こっていることです。 ドメイン理論によると、鉄の棒のようなものには、ドメインと呼ばれる小さなポケットがいくつもあります。 ドメインは、磁石が入っている箱のようなものです。 このようなことが言えるのです。 鉄の棒はトラックのようなものです。 通常、鉄の棒に搭載されている「箱」はランダムに配置されていて、全体としては磁気を帯びていません。 磁化されていない鉄の棒に磁石を近づけて、体系的に上下に繰り返し撫でると、中にあるすべての磁気を帯びた「箱」（ドメイン）が同じ方向を向くように配置し直していることになります。
磁区理論は、物質が磁化されたときに物質の内部で起こることを説明します。 磁化されていない物質（左）では、ドメインがランダムに配置されているため、全体としての磁場は存在しない。
この理論は、磁気の発生を説明するものですが、では、私たちが知っている磁石の他の性質も説明できるのでしょうか？ 磁石を半分に切ると、北極と南極の2つの磁石ができることがわかります。 ドメイン理論によれば、それは理にかなっています。 磁石を半分に切ると、小さな磁石になりますが、そこにはドメインが詰まっていて、元の磁石と同じように南北に並べることができます。 磁石を叩いたり熱したりすると、磁気が消えるのは？ これも説明がつきます。 整然とした箱を積んだバンを想像してみてください。 それを不規則に、ものすごいスピードで走らせると、それはまるで箱を揺らしたり、ハンマーで叩いたりするようなものです。
原子論で磁気を説明する
領域論は簡単に理解できますが、完全な説明ではありません。 鉄の棒が小さな磁石を詰めた箱でいっぱいになっていないことはわかっていますし、考えてみれば、磁石を「小さな磁石でいっぱいになっている」と言って説明しようとしても、「小さな磁石は何でできているのか」という疑問がすぐに湧いてきて、説明になっていないのです。
19世紀の科学者たちは、電気で磁気を、磁気で電気を作ることを発見しました。 ジェームズ・マクスウェルは、この2つの現象は、同じ紙の裏表のように、電磁気という同じものの異なる側面であるとした。 電磁気学は素晴らしいアイデアだったが、説明というよりは描写であり、なぜそうなるのかを説明するものではなかったのだ。
私たちは、すべてのものが原子でできていること、原子は中心にある核という物質の塊からできていることを知っています。
すべてのものは原子からできていて、原子は核という中心の塊からできています。電子という小さな粒子が核の周りを周回していますが、これは上空の衛星のようなもので、同時に自転もしています（ちょうどコマ回しのように）。 電子は、金属などの物質の中を移動するときに電流（電気の流れ）を運ぶことがわかっていますが、電子はいわば電気の小さな粒子です。 さて、19世紀の科学者たちは、電気が動くと磁気が発生することを知っていました。 20世紀に入ると、磁気の原因は、電子が原子の中を移動して周囲に磁場を作っていることが明らかになった。
アートワーク。 磁力は、原子の中で電子が軌道を回ったり、回転したりすることで生じる。
原子理論は、ドメイン理論と同様に、常磁性（磁場によって磁性体が並ぶ現象）をはじめとする磁石に関する多くのことを説明することができます。 原子の中の電子のほとんどは対になって存在し、互いに反対方向に回転しているため、対の中の1つの電子の磁気効果は相手の効果を打ち消してしまいます。 しかし、原子の中に不対電子があると（鉄は4個）、この不対電子が互いに並ぶ正味の磁場を発生させ、原子全体をミニ磁石にしてしまうのです。
反磁性についてはどうでしょうか。 反磁性体では、不対電子がないため、このような現象は起こりません。 反磁性物質では、不対電子がないので、このような現象は起こらず、原子全体の磁気はほとんどなく、外部の磁場の影響を受けにくい。 しかし、原子の中を回っている電子は電荷を帯びた粒子であり、磁場の中で動くと、他の電荷を帯びた粒子と同じように、磁場の中で力を受けます。 その結果、反磁性物質が置かれた磁場に「対抗」しようとするときに見られるように、反磁性物質が作り出す弱い磁場は、その原因となる磁場に対抗します。 磁力は古代ギリシャ、ローマ、中国で知られています。 中国では風水で方位磁針（中央の磁針の周りに木の文字を輪状に並べたもの）を使う。 磁石の名前はトルコのマニサに由来し、かつてマグネシアと呼ばれていた場所で磁気石が地中から発見されたことに由来します。 13世紀：西欧諸国で初めて航海用に磁気コンパスが使われる。
