更新 2024-2-23
永久磁石（Permanent magnet）
磁石は生活に非常に身近な存在です．どの家庭の冷蔵庫にもマグネットが貼り付けられていますし、どの家電の中でも磁石が使用されています．地球そのものだって巨大な磁石であることを忘れてはいけません．
人類と磁石の出会いはおそらく紀元前にさかのぼりますが、明確な用途が確立したのは方位磁石が発見されてからです．方位磁石を利用した羅針盤は航海技術を飛躍的に向上させ、大航海時代の幕開けにつながりました．
磁力に関する研究は17世紀以降に活発になり、それまで別々のものと考えられていた磁力と電気の関係が明らかにされます．
磁場の動きは電流を生み、電流は磁場を生みます．そして、磁場と電場が一体となって電磁波が形成されることなど、両者は切っても切れない関係であることが分かったのです．
電場と磁場の関係は最終的にマクスウェル方程式によって体系化され、電磁気学が完成します．めでたしめでたしと言いたいところですが、ここで一つの疑問が生じます．
では、「磁石」とはなんぞや？
電場と磁場が不可分なら、磁石の存在はどう説明するのでしょうか．見た感じ、周りに電気はありません．金属磁石であれば電気は流れそうですが、絶縁体のフェライト磁石もあります．
磁石は、身近な物であったにもかかわらず、謎だらけの存在として残ったのです．
最終的に、磁石が磁力を示す起源は、量子力学および物性物理の進展を待ってようやく理解されるようになりました．簡単に手に入る物が必ずしも簡単に理解できるとは限らない好例です．
詳しくは強磁性体の項目を参照のこと．
原理の解明と新材料開発は日進月歩で、磁石の特性はこの100年で100倍まで向上しています．とはいえ、全てが理解できるようになったかといえば全くそのようなことはなく、複雑怪奇な現象がまだまだ残されています．
今回は、不思議で役に立つ物質、永久磁石について見ていきます．
永久磁石とその特性評価
ヒステリシス曲線と硬磁性物質
永久磁石は強磁性体の中でも硬磁性体に分類され、磁化を反転させるのに必要な磁場（保磁力）が大きいこと、ゼロ磁場でも大きな残留磁化を持つことが特徴です．それゆえ、永久磁石は長期間に渡って大きな磁化を保持することが可能です．
磁石の性能は、ヒステリシス曲線を見れば分かります．永久磁石に対し、外部磁場（）を変化させることで磁化（
）の値が連続的に変化し、下図に示すようなループ状の図形を描きます．
大きな磁場をかけてからゼロ磁場に戻した時に保持する磁化の値を残留磁化（）、磁化をゼロにするために必要な磁場を保磁力（
）と呼びます．磁場に対して磁化をプロットする
曲線のほか、磁束密度をプロットする
曲線も使用されます．
永久磁石に必要なパラメータ
現実に永久磁石をデバイス中で使用しようとしたとき実現できる磁束密度（）と磁場（
）の積の最大値が最大エネルギー積
）です．これは磁石の保持できる最大エネルギーに相当し、永久磁石の性能を示すパラメータとして使用されます．
を向上させるには、保磁力および残留磁化の双方を上げる必要があります．
また、強磁性の転移温度であるキュリー温度（）も重要なパラメータです．どれほど磁気特性が好ましくても、キュリー温度が室温以下では使いようがありません．自動車用のモーターなど動作温度が高い部品で使用することを考えれば、キュリー温度が高いに越したことはありません．
永久磁石と異方性
残留磁化とキュリー温度は材料固有のパラメータですが、保磁力だけは材料の種類だけでなく組織や粒の形状に非常に敏感であり、物質だけでなく材料を取り巻く周りの環境も重要になります．
例えば、ネオジム磁石の原料であるの単結晶の保磁力は非常に小さいです．
の微粒子を
に富んだ粒子で緻密に取り囲んだ複雑な組織を形成することによって市販のネオジム磁石は高い保磁力を実現しています．
保磁力の起源は磁石の磁気異方性です．
異方性とは磁石が磁化を特定の方向を向きたがる（あるいは向きたがらない）性質を指します．例えば、鉄には結晶磁気異方性があり、結晶軸の [100] 方向を向きたがるとともに、[110] 方向を向きたがりません．それぞれの軸を磁化容易軸、磁化困難軸と呼び、材料ごとに固有の方向を持ちます．
容易軸に向いた磁化を反転するために要するエネルギーとして結晶磁気異方性エネルギー（）を定量化可能ですが、観測される
は計算で得られる
より一桁小さい値しか得られません．
実際の保磁力の発現機構は磁壁の運動を伴う複雑なものであり、その全貌は分かっていないことが多いです．ネオジム磁石でもは
の２０％程度にしか達しておらず、保磁力の理解が進めば桁違いの性能を持つ磁石が得られると期待されています．
永久磁石の歴史
人間にとっての磁石は、長らく天然に産出する鉱石であるマグネタイト（）でした。鉄は磁鉄鉱の還元により得られますが、保磁力が低く錆びやすいためそのままでは磁石として使用できません．
人類と磁石の歴史は長いですが、人工的な磁石が開発されたのは20世紀に入ってからです．
永久磁石の開発
が時代とともにどのように進展してきたかを示します．
1917年に東北帝国大学の本多光太郎氏がKS鋼を発明し、人工磁石の端緒が開かれました．KS鋼は鉄を中心にからなる複雑な組成を持ちます．
続いて、東京帝国大学の三島徳七氏がMK鋼（合金）を、本多光太郎氏が再び新KS鋼（
）を発見しました．特に、新KS鋼はKS鋼の4倍の保磁力を持ち、MK鋼から世界一の座を奪い返しました．
後年、MK鋼からさらに改良されたアルニコ磁石（）は現在でも生産されています．1970年代に東北大の金子秀夫氏と本間基文氏によって開発された鉄-クロム-コバルト磁石は、高価な元素の使用量が少ないことから好まれます．
1932年には、東工大の加藤與五郎氏と武井武氏がOP磁石（酸化物）を発見しています．OP磁石は
と
を混合して得られる磁石であり、酸化物系磁石（フェライト磁石）の先駆けとなったものです．
酸化物系の磁石としては、後にJ. J. Wentらがマグネトプランバイト型（M型）フェライト磁石（、
）を開発しました．フェライト磁石は性能がそれほど高くありませんが、安価かつ大量に生産できるため現在でも主流の磁石です．
1950年代に入ると、希土類元素の分離・精製技術が進展し、希土類元素と遷移金属を組み合わせた磁石の開発が進みました．1-5型サマコバ磁石（系磁石）が発見され、改良型の2-17型サマコバ磁石（
系磁石）が松下電器産業の俵好夫らによって開発されました．サマコバ磁石は当時最強の磁石でしたが、
と
はともに高価であったことから、より安価な元素を使用した磁石の開発が望まれていました．
そんな折、1982年に佐川眞人氏によって開発されたネオジム磁石（系磁石）は既存の磁石のレコードを塗り替えました．現在でも、ネオジム磁石は世界最強の磁石として市場を支配しています．とはいえ、ネオジム磁石は耐熱特性が高くないので、現在でもサマコバ磁石などの合金系磁石も生産されています．
ネオジム磁石の発見から40年が経過し、その間に系磁石や
系磁石が開発されるものの、ネオジム磁石の牙城を崩せてはいません．
長らく新型の磁石の報告がなく全体的に磁石の研究が下火なようで、磁石の開発を目指す研究室は減っているように思います．ただし、最近ではNIMSが磁石の研究を企業と提携して行うなど、研究の熱が再燃しつつあるのかもしれません．
様々な永久磁石
永久磁石の種類は豊富であり、工業的な用途に応じて作り分けられます．分類の仕方は、主に物質の違いによるものと製造法の違いによるものが挙げられます．代表的なものを見ていきましょう．
合金系磁石
室温で強磁性を示す単体金属は（および
）だけです．
と
は磁化の値が小さい上に比較的高価です．鉄は磁化が大きい、キュリー温度が高い、資源的に豊富で安い、と良い事ずくめですが、錆びやすく保磁力が小さいです．そのため、最初期の磁石の開発では、鉄を中心に他の元素との合金化が行われました．
上述の KS鋼、MK鋼、新KS鋼などは最初期の合金系磁石であり、日本で発明されました．合金磁石はどれも恐ろしく複雑な組成を持ちますが、当時は永久磁石の理論的起源もよく分かっていない時期でしたから、勘と経験と不断の努力によって発見されたに違いありません．
余談ですが、これらの磁石の発明家である本多氏と三島氏は1985年に発表された「日本の十大発明家」に名を連ねています．
フェライト磁石
フェライトとはもともと鉄を意味しますが、今日では鉄酸化物からなる磁石のことを指します．特に、マグネトプランバイト型構造を持つ鉄酸化物を指すことが多いようです．
原材料が安く、化学的に安定、かつ取り扱いが容易であることから、現在最も多く生産されている磁石です．磁気特性は希土類磁石に比べると低いものの、材料開発により着実に性能が向上しています．
フェライト磁石の最大の特徴は、金属材料に比べて電気抵抗が圧倒的に大きい絶縁体であることです．高周波域で使用する磁性材料は渦電流損失によるエネルギーロスが大きくなりますが、フェライト磁石ではその心配がなく高周波域まで優れた性能を示します．
なお、「フェライトの発明とその工業化」は社会や産業の発展に大きく貢献した歴史的業績として、2009年にIEEEマイルストーンに認定されました．
サマコバ磁石
や
といった希土類元素が含まれる磁石を総称して希土類磁石と呼ばれます．
希土類磁石の磁化は主にや
などの遷移金属が担いますが、希土類元素のｆ軌道の影響によりスピンが特定の方向に向きやすくなることが知られています．希土類元素の入手が容易になった1950年代以降に活発化し、
は1960年代前半に発見されました．
サマコバ磁石は磁気特性に優れ、特に高温でも高い性能を保つことが特徴です．しかし、も
も高価な元素であり、特に
はアフリカの政情によって価格が左右されます．ゆえに、サマコバ磁石は高価な磁石です．
ネオジム磁石
現在、ネオジム磁石は世界最強の磁石として知られています．
1982年に住友特殊金属の佐川眞人氏によって開発されました．資源的に豊富な鉄を中心としたの組成を持ちます．大きな結晶磁気異方性を示しますが、何も考えずに合成すれば保磁力は低く、磁石となりません．微細な粉を焼き固めて磁石を作る焼結法の開発により、高い性能を示す磁石となりました．
磁気特性としては最強ですが、高温特性ではサマコバ磁石に劣ります．高温での保磁力の減少を補うために、が一部添加された磁石が使用されますが、
は資源的に希少な上に一部の国に偏在しており安定確保に問題を抱えています．最近では、
を使用すること無く高い保磁力を示す材料の開発が活発に行われています．
その他
その他にも、型構造を持つ
系磁石、高い磁化と異方性磁界を持つものの焼結性の悪い
系磁石、とんでもなく高い磁化を示すとされるものの実験の再現性に問題のある
系磁石などが知られています．
製造法の違いによる分類
鋳造磁石は、目標の組成を持つ合金を溶解後、鋳造凝固することで得られます．焼結磁石は、合金粉末の圧粉体を焼結することで作成されます．熱間加工磁石は、高温で塑性加工した際に主相の結晶方位がそろう性質を利用して作製した磁石です．ボンド磁石は、磁石粉末に樹脂を混ぜて焼き固めて作成した磁石です．
まとめ
磁石の歴史は長いですが、応用され始めたのは意外と最近の話です．強磁性体の代表である鉄がヒッタイト帝国の時代から製造されていたことを考えると、磁性に着目するのが遅すぎたのではないかとさえ思います．
天然の磁鉄鉱も鉄鋼も保磁力が低く、強力な磁場がなければ弱い磁化しか示しません．そのため、応用先は弱い磁化で事足りる方位磁石が関の山でした．
磁石が天然にないのであれば、強い磁場を生み出すには電磁石を使用するしかありません．しかし、電磁石を生み出すには、強い電流源が必要です．現代、電流を発生させるにはどうしているのかといえば、磁石を回転させてファラデーの電磁誘導の法則を利用しています．ここにも磁石が必要です．なんという二律背反．
自然界で発生する電流は雷くらいしか大規模なものがなく、映画「バック・トゥ・ザ・フューチャー」のようなことをするのでなければ、人為的に利用するのは困難です．となると、電流を生み出す方法は電池しかありません．電池は化学反応を伴った複雑な人工デバイスであるので、１９世紀前半にようやく発明されました．
人類が容易に利用可能な電流源がようやく電池によって実現したと考えれば、それまで莫大な量の鉄が製造されながらも、誰も磁性を利用しなかったこともうなずけます．電池と磁石にこんな関係があったんだなと思いました．
参考文献
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