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飽和磁化とは

ほうわじか

強い磁界をかけて磁気モーメントがすべて同じ向きにそろったときの磁化。鉄では約1.7×10⁶ A/m(µ₀Msで約2.2 T)で、温度が上がると減る。

「飽和磁化」は、2分野の8問の練習問題に出てきます(磁性材料, 電子・磁性・光学材料など)。

この用語の分野: 磁性材料

組織によらない量

飽和磁化Msは、強い磁界で磁気モーメントがすべて一方向にそろったときの単位体積あたりの磁気モーメントで、単位は A/m です。原子1個あたりのモーメントと原子の数密度で決まるので、組成と温度が同じなら、結晶粒の大きさや加工の程度にはほとんどよりません。この点で、組織によって大きく変わる保磁力や透磁率とは性格が違い、組織に鈍感な量として扱われます。磁性材料の設計では、まず組成で飽和磁化の大きさを決め、組織の制御で保磁力や透磁率を調整するという順で考えます。

主な材料の値

室温の飽和磁束密度 µ₀Ms で比べると、鉄が約2.15 T、コバルトが約1.8 T、ニッケルが約0.6 T で、0 Kでの原子1個あたりのモーメントはそれぞれ約2.22、1.72、0.61 µB です。鉄にコバルトを約35%加えた合金では約2.4 Tに達し、実用材料の中で最も高い値になります。一方、鉄基のアモルファス合金は約1.5〜1.6 T、Mn-Znフェライトは約0.5 Tと低めです。質量あたりで表すこともあり、鉄の飽和磁化は約218 A·m²/kg(218 emu/g)です。

温度による変化

温度が上がると、熱の揺らぎでモーメントの向きがそろいにくくなり、飽和磁化は小さくなります。0 Kから温度を上げると初めはゆっくり、キュリー温度に近づくと急に下がり、キュリー温度で0になります。キュリー温度は、鉄で約770℃、ニッケルで約358℃、コバルトで約1120℃です。室温の値は0 Kの値よりいくらか小さく、例えばニッケルでは、原子のモーメントから計算した0 Kの値の約0.64 Tに対して、室温では約0.61 Tです。高温で使うモーターや変圧器の材料では、使用温度での飽和磁化を見る必要があります。

飽和磁束密度・残留磁化との違い

磁束密度は B = µ₀(H + M) なので、飽和したときの磁束密度 Bs は µ₀Ms に µ₀H が加わった値ですが、軟磁性材料では µ₀H が小さいので Bs ≈ µ₀Ms として扱います。残留磁化は磁界を0に戻したときに残る磁化で、飽和磁化より小さく、組織や形に大きく左右されます。測定では、振動試料型磁力計(VSM)やSQUID磁力計で磁化曲線を測り、高い磁界で飽和した値を読みます。試料の形による反磁界があると飽和に強い磁界が必要になるので、細長い試料を磁界の方向に置くなどの工夫をします。

飽和磁化の練習問題に挑戦

鉄(BCC、格子定数0.2866 nm)の原子1個あたりの磁気モーメントを2.22 µB とする。すべてのモーメントがそろった0 Kでの飽和磁化Msはどれに最も近いか。ボーア磁子を µB = 9.27×10⁻²⁴ A·m² とする。

  1. A約8.7×10⁵ A/m
  2. B約1.7×10⁶ A/m
  3. C約3.5×10⁶ A/m
答えと解説を見る

正解：B. 約1.7×10⁶ A/m

BCCの単位胞には原子が2個あるので、原子の数密度は n = 2/a³ = 2/(0.2866×10⁻⁹ m)³ ≈ 8.50×10²⁸ m⁻³ です。飽和磁化は単位体積あたりの磁気モーメントなので、Ms = n × 2.22 µB = 8.50×10²⁸ × 2.22 × 9.27×10⁻²⁴ ≈ 1.7×10⁶ A/m になります。µ₀Ms に直すと約2.2 Tで、鉄の飽和磁束密度の値とよく合います。約8.7×10⁵ A/m は単位胞の原子を1個と数えた値、約3.5×10⁶ A/m はFCCと同じ4個と数えた値です。原子1個あたりのモーメントが整数にならないのは、磁性を担う3d電子がバンドをつくっているためです。

よくある質問

飽和磁化と飽和磁束密度の違いは何ですか?

飽和磁化Msは材料の磁気モーメントの密度で単位は A/m、飽和磁束密度Bsは飽和したときの磁束密度で単位は T です。B = µ₀(H + M) から Bs は µ₀Ms より µ₀H の分だけ大きくなりますが、その差は小さいので、ほぼ同じ意味で使われることもあります。

飽和磁化の単位はどう換算しますか?

SI単位では A/m、CGS単位では emu/cm³ で、1 emu/cm³ = 1000 A/m です。磁束密度で表すときは µ₀Ms(T)、CGSでは 4πMs(G)を使い、1 T = 10000 G です。質量あたりの値は、A·m²/kg と emu/g で同じ数値になります。

熱処理や加工で飽和磁化は変わりますか?

組成と相が変わらなければ、ほとんど変わりません。ただし熱処理で析出物ができたり、相変態や規則化で別の相になったりすると、相ごとの値が違うので全体の飽和磁化も変わります。オーステナイト系ステンレス鋼が加工でマルテンサイトになり、磁石に付くようになるのがその例です。

解説の中の「飽和磁化」

「飽和磁化」が出てくる問題(8問)

  1. 鉄(BCC、格子定数0.2866 nm)の原子1個あたりの磁気モーメントを2.22 µB とする。すべてのモーメントがそろった0 Kでの飽和磁化Msはどれに最も近いか。ボーア磁子を µB = 9.27×10⁻²⁴ A·m² とする。
  2. 消磁状態の強磁性体に外部磁界をかけて徐々に強めたとき、磁化が進むしくみとして正しいものはどれか。
  3. マグネタイト(Fe₃O₄)などのフェライトが示すフェリ磁性の説明として正しいものはどれか。
  4. マグネタイト Fe₃O₄ は逆スピネル型で、Aサイト(四面体位置)にFe³⁺が1個、Bサイト(八面体位置)にFe³⁺とFe²⁺が1個ずつ入り、AサイトとBサイトのモーメントは反平行に並ぶ。Fe³⁺を5 µB、Fe²⁺を4 µB とし、スピンだけが寄与するとすると、化学式 Fe₃O₄ あたりの磁気モーメントはどれか。
  5. Fe-約78%Niのパーマロイが、きわめて高い透磁率を示す主な理由はどれか。
  6. 減磁曲線が B = Br + µ₀H の直線になる(HcJ が十分に大きい)理想的な永久磁石で、残留磁束密度 Br = 1.40 T のとき、最大エネルギー積 (BH)max はどれに最も近いか。µ₀ = 4π×10⁻⁷ H/m とする。
  7. Nd₂Fe₁₄B を主相とするネオジム磁石が大きな保磁力をもてる、物質としての主な理由はどれか。
  8. 電気自動車のモーターなど高温で使うネオジム磁石に、DyやTbを加える主な目的はどれか。

関連する用語

磁区 保磁力 結晶磁気異方性 磁壁 最大エネルギー積 フェリ磁性 スピネル型構造 軟磁性材料 キュリー温度 渦電流損失

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