磁区と磁壁

磁石を切る実験をしたことはおありでしょうか。

磁石は切っても切っても小さな磁石ができるばかりで、N極のみ、S極のみを単独で取り出せません。たとえ、神様のように器用な人が磁石を分割していっても、結局、小さな磁石がたくさんできるだけです。

このことから、磁石は、非常に小さな磁石が集まってできていると言えそうです。内部ではそれらの向きがほとんど揃っていて、その集合体が磁石として振る舞っているわけです。そのような小さな磁石を物理では「スピン」と呼びます。

物質内のスピンがある方向に揃うことで磁石になるものを強磁性体といいます。代表は鉄ですが、コバルトやニッケルもその仲間です。磁石になっている強磁性体でも、高温になると、中にあるスピンはふらつきます。そして、ある温度以上になるとその秩序状態は壊されてしまいます。これをその物質のキュリー点と呼びます。スピンが自分勝手に方向をくるくる変えてしまうならば、内部の秩序が保てなくなり、磁石も磁石ではいられません

永久磁石に釘をくっつけて、しばらくして離すとその釘も磁石になっている、という実験の経験はおありでしょうか。

磁石につけるまで普通だった釘が、一度磁石につけると他の釘を引きつけるようになります。釘の材料である鉄は強磁性体ですから当然といえば当然なのですが、では、なぜ磁石にくっつける前、釘は磁石のように振る舞わなかったのでしょうか。袋に入った釘が勝手につながりはじめることはありません。

強磁性体である釘は磁石になる資格を持っているだけで、それ自身が勝手に磁石になるわけではないのです。強磁性体は、磁場をかけて初めて(簡単な方法としては永久磁石を近づける)磁石になります。何らかの方法で強磁性体を磁石にすることを、「着磁する」あるいは「磁化する」といいます。つまり、磁石としての性質を示す強磁性体は、磁化された強磁性体なのです。

磁化されていないとき、強磁性体の中の磁気モーメントはどうなっているのでしょう。

実はそれらは消えてしまうことなく、物質の中に存在しています。ただし、磁化される前後で、異なる形態をとっています。

上の図は、磁化されていない強磁性体がどのような過程を経て磁化されるかを示しています。左の図は着磁される前、すなわち磁石としての性質を示さない状態を表しています。構造的に、内部のスピンは互いにうち消しあって磁石としての性質がゼロになるような配置をしています。しかし、磁場を外から加えると(例えば永久磁石を近づける)、その方向を向くものが増え(真ん中の図)、その体積も増えていきます。最終的には、右の図のように、物質全体にわたってスピンの方向が揃うことになります。

スピンが同じ方向を向いた領域のことを「磁区」といいます。外部磁場の方向を向いた磁区は、異なる向きの磁区を食いつぶしながら増えていきます。上の図は、その変化を二次元的に表したものです。

磁区と磁区の境界はどうなっているのでしょう。

磁区と磁区との境界は、「磁壁」と呼ばれています。しかし、磁壁といっても、そこでスピンは急に反転しているわけではありません。

上の図は、そこでのスピンの様子を示しています。ごらんの通り、磁壁付近に存在するスピンは徐々に回転するようにして反転しています。つまり、磁壁はある程度の厚さを持っているのです。この厚さは、大まかに言って、二つのエネルギーのバランスから決まります。一つは交換エネルギー、もう一つは異方性エネルギーです。

交換エネルギーは二つのスピン間で決まるエネルギーで、できるだけ平行でいたいという傾向を表しています。ですから、交換エネルギーの立場からすると、スピンは少しずつ回転する方がより望ましい、できればそうしたい、ということになります。

一方の異方性エネルギーは、スピンの方向を容易軸といわれる特定の方向に揃えたい、という傾向を表しています。ですから、異方性エネルギーの立場からすれば、長い距離をかけてゆっくりスピンが回転されると、それだけ容易軸方向からずれるスピンが増えるので望ましくない、できるだけ短い距離で回転して欲しい、ということになります。

この二つのエネルギーの兼ね合いで、磁壁は適当な大きさに決まります。二つのエネルギーの和がより低くなるような状態に落ち着いているのです。