永久磁石の原理と種類

永久磁石
Strong circle radial magnetic under the black iron powder magnetic field on white background. Scientific experiment in science class in school.

永久磁石は、玩具や電子機器などの身近なものからさまざまな産業まで、幅広く活用されています。電子機器の発展にも大きく貢献している永久磁石は、現代社会には欠かせないものとなっています。しかし、永久磁石は身近な存在でありながらも、その原理などについてはあまり知られていません。そこで本記事では、基礎知識である永久磁石の原理と種類についてご紹介します。

永久磁石とは

永久磁石とは、外部からエネルギーを受けなくとも、磁石としての性質を保持し続ける物体のことを指します。ここでは、永久磁石の原理・仕組みについて詳しく見てみましょう。

Two dipoles magnets repels eatch other. Black background

永久磁石の原理・仕組み

鉄やコバルトなどは強磁性体と呼ばれており、原子そのものは永久磁石になっています。そして、それらの原子は集合体をつくり、磁区を形成しています。

しかしこの磁区は、磁極の向きがバラバラであるため、鉄全体としては互いの磁力を打ち消し合っている状態で、永久磁石になっていません。

このとき、鉄が外部の磁界に触れると、磁区が同じ方向を向き、磁力をもつようになります。しかし、外部の磁界がなくなると、磁区の向きがバラバラの状態に戻り、磁力を失います。

これが一般的に一時磁石と呼ばれています。例えば、通常時には磁力をもたないクリップが、磁石に付けたときに磁力をもつようになるのは、上記の理由によるものです。

しかし永久磁石の場合は、外部の磁界を遠ざけても再度磁区が元通りにならないように、特殊な元素を含有させています。これにより、磁極の向きを固定化させられるほか、永久に磁力をもつようになります。

永久磁石の種類

永久磁石は大きく分けて【合金磁石・フェライト磁石・希土類磁石】の3つに分類されます。

neodymium magnets squares, black background

合金磁石

合金磁石は、鉄を主成分とした永久磁石で、永久磁石のなかでも最も古い歴史をもちます。鉄のほかに、アルミニウム・ニッケル・コバルト・クロムなどを含有しています。

合金磁石の代表的なものに鉄・アルミニウム・ニッケル・コバルトを主成分としたアルニコ磁石があります。アルニコ磁石は高い磁力をもち、温度特性に優れていることから、温度の影響を避けたい精密機器などに採用されています。

しかし、保磁力が低く、自身から発した磁界で磁力が弱くなりやすい点はデメリットです。昨今では、アルニコ磁石よりも造形が簡単かつ、コストが安価なフェライト磁石が採用されるシーンが多くなり、需要が少なくなっています。

※保磁力:磁性体を磁化されていない状態に戻すために必要な、反対向きの外部磁場の強さのこと

フェライト磁石

フェライト磁石は、酸化鉄(フェライト)を主成分とした永久磁石です。フェライトは強磁性をもつ「ハードフェライト」と軟磁性の「ソフトフェライト」に分けられますが、ハードフェライトが永久磁石に該当します。

フェライト磁石は、酸化鉄に炭酸バリウム、または炭酸ストロンチウムを混合した焼結磁石です。

磁力が合金磁石・希土類磁石と比べて最も低いものの、酸化鉄を主成分としていることから価格が安い特徴があります。また、陶磁器に近い性質をもつため、高い耐食性と電気抵抗も有しています。磁力をもつ前であれば、切断や研磨などの加工にも対応可能です。

そのほかにもフェライト磁石は、軽量で形を変えやすいなどの豊富な長所があることから、マグネットシート・スピーカー・ヘッドホンなどの幅広い用途で活用され、現在では最も生産量の多い永久磁石です。

希土類磁石

希土類磁石は、ネオジウム・サマリウム・コバルトなどの希土類(レアアース)と呼ばれる金属元素の粉末を成形し、焼結させた永久磁石です。

希土類磁石は磁力が非常に強い一方で、硬くて脆い特徴があります。強力な磁力である分、磁石の小型化を実現しており、精密な電子機器の部品に採用されている磁石です。

希土類磁石の代表的なものは、ネオジム・鉄・ボロンを主成分としたネオジム磁石と、サマリウムとコバルトを主成分としたサマリウムコバルト磁石があります。

ネオジム磁石はアルニコ磁石・フェライト磁石と比べて、最も優れた磁気特性をもちます。機械的強度も良好かつ、主成分は比較的入手しやすい鉄とネオジムからなるため、価格が安価などの特徴があります。しかし、鉄を含んでいる分サビやすく、メッキなどの表面処理を必要とします。

サマリウムコバルト磁石は、ネオジム磁石に次ぐほどの高い磁力をもち、熱安定性も良好。高温での使用に対応しています。また、耐食性に優れているため、表面処理を必要としません。しかし、脆くて取り扱いが難しいほか、高価な材料であるコバルトの含有量が多いことから。コストがかかる傾向にあります。

永久磁石のまとめ

永久磁石とは、外部からエネルギーを受けなくとも、磁石としての性質を保持し続ける物体のことです。通常の磁石は、外部の磁界を受けることで磁力が発生するものですが、永久磁石は特殊な元素を含有しているため、永久に磁力をもちます。

永久磁石の種類は大きく分けて、合金磁石・フェライト磁石・希土類磁石の3つに分類されます。昨今では、コスト面や製造面などのメリットが豊富にある、フェライト磁石の生産量が多くなっています。

それぞれで特徴が大きく異なるため、永久磁石を用いる際は、用途に適した種類を選ぶようにしてください。