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反磁性で惑星の輪を解釈してみた。重力と電磁力?その7

反磁性(Diamagnetism)とは、磁場をかけたとき、物質が磁場の逆向きに磁化され、磁場とその勾配の積に比例する力が、磁石に反発する方向に生ずる磁性のことです。

物質が磁場の逆向きに磁化される大きさをを、負の磁化率といいます。

反磁性研究の大まかな歴史は、こうなります。

1778年、バーグマン(S. J. Bergman)がビスマスとアンチモンが磁場に反発することを発見した。

1845年、ファラデーはすべての物質は本来、印加磁場に対して何らかの反磁性的な反応をすると考え、「反磁性」という用語を作った。

1895年、ジョゼフ・ラーモアは反磁性を古典的に説明し、ラーモア反磁性と名付けられた。

1911年、ニールス・ボーアによる反磁性の古典的な説明が不可能であることの証明は、ボーア=ファン・リューエンの定理と呼ばれる。

1933年、マイスナーは超伝導状態の物質は、非常に強い反磁性を有することを発見した。

この現象はマイスナー効果として知られている。

磁場は、電気的現象・磁気的現象を記述するための物理的概念です。 

工学分野では、磁界ということもあります。

 単に磁場と言った場合は磁束密度 Bもしくは、磁場の強さ Hのどちらかを指すものとして用いられますよね。

どちらを指しているのかは文脈により、また、どちらの解釈としても問題ない場合も多いですね。

磁性(magnetism)は、磁気ともいい、物質が原子あるいは原子よりも小さいレベルで磁場に反応する性質であり、他の物質に対して引力や斥力を及ぼす性質の一つです。

 反磁性体は自発磁化をもたず、磁場をかけた場合にのみ反磁性の性質が表れるでしょ。

自発磁化は、強磁性体では隣り合った原子の間に磁気モーメントの向きをそろえようとする相互作用が働いているため、各原子の磁気モーメントの向きが自発的にそろい、磁場をかけなくても磁化をもつことをいいますよ。

磁気モーメントは、磁石の強さを表す量で、磁石の特性である方向を表現するためにベクトルであらわされます。

磁気モーメントは周囲に、S極とN曲を結ぶ表す矢印でおなじみの磁束を作ります。

この矢印の向きがベクトルの向き、矢印の数がベクトルの大きさを表します。

なお、磁力線はN極から沸き出しS極へ吸い込まれるのに対し、磁束線はN極とS極を経由して切れ間なく回るので勘違いしないように。

磁気が強いと磁力線や磁束線をたくさん書かないといけなくなるが、この線の込み具合を磁束密度と呼ぶ場合が多いです。

なお、磁石の強さを表す場合、磁力密度ということもあります。

内殻電子を含む、原子中の対になった電子が必ず弱い反磁性を生み出すため、実はあらゆる物質が反磁性を持っています。

電子殻は、原子構造の模型において、原子核を取り巻く電子軌道の集まりをいいます。

電子軌道は、あたかも殻を内側から重ねたように見える振る舞いをすることがあるので、電子殻という呼び方があると思ってください。

例えば、光の発生を説明するには重宝します。

 実際の電子は、もっと複雑な振る舞いをするでしょ。

説明上の方便です、詳しい説明は自分で調べてくださいな。

内殻電子とは、原子核に近い電子です。

しかし、反磁性は非常に弱いため、強磁性や常磁性といったスピンによる磁性を持つ物質では隠れて目立たないです。

つまり、差し引いた結果の磁性として反磁性があらわれている物質のことを反磁性体と呼ぶに過ぎないです。

単にスピンと呼ばれることもあるスピン角運動量(spin angular momentum)は、電子やクォークなどの素粒子、およびそれらから構成されるハドロンや原子核や原子などの複合粒子が持つ量子力学的な自由度の1つです。

スピン角運動量は、軌道角運動量とともに、粒子の全角運動量に寄与しています。

スピンは、電子殻の説明にも登場します。

 1つの軌道には、同じ状態の粒子は1つしか入れない。

 ところが、実際は2つ入っている。

その難問を解く鍵が、スピンでした。

上向きと下向き、反対向きのスピンを想定して、難問は解かれました。

 プラスの陽子とマイナスの電子、上向きスピンと下向きスピン、まるで、陰陽ですね。

磁性と反磁性も、お忘れなく。

相補な関係にある存在や性質は、ミクロの世界からすでに対立と統一を繰り返して世界を形作るとともに動かしているのです。

 統一が空間を、対立が時間を、形作って時空連続体は常に変化の中にあるのですね。

常若は、世界の本質なのでしょうね。

このように、ほとんどの物質において反磁性は非常に弱いが、超伝導体は例外的に強い反磁性を持ちます。

なお、標準状態において最も強い反磁性をもつ物質はビスマスです。

物質の持つ反磁性による効果として、反磁性体に磁石などを近づけたとき反発する現象があります。

反磁性による力は一般的に小さいため、本来反磁性体であるはずの物質が、非磁性であると誤解されている場合があります。

なお、物質の反磁性を測定するとき、僅かな強磁性の不純物を含んでいただけで全く違う結果になることがあります。

これは、強磁性の効果の方が反磁性よりも桁違いに大きいからです。

反磁性体は 1 よりも小さい透磁率と、0 よりも小さい磁化率を有します。

よって磁場に反発するが、反磁性は非常に弱い性質のため、日々の生活で確認することはできないのです。

例えば、水の磁化率はχv = −9.05×10−6です。

最も強い反磁性を有する物質はビスマスであり、その磁化率はχv = −1.66×10−4です。

また、熱分解グラファイト(熱分解黒鉛)は一次元的なχv = −4.00×10−4という磁化率を有するという報告があります。

ただし、これらの強い反磁性体においても、その磁化率は常磁性体や強磁性体の磁化率に比較すると非常に小さいオーダーです。

反磁性の性質を示す代表的な物質として水や銅、木などがあります。

石油やプラスチックのような大半の有機物も、反磁性を示します。

反磁性体に磁石などを近づけたとき反発する現象は、蛇口から細く静かに出した水に強力な磁石を近づけると、磁石を避けるように水が曲がるという実験により確認することができます。

この振る舞いは、弱い二つの磁石の同極同士を近づけたときと似ています。

しかし反磁性を持つ物質に現れる反発力は近づける磁石の極性によらず、どちらの極にも反発するという点で決定的に異なっています。

このような違いはなぜ現れるのかと言うと、反磁性という性質が、外部磁場の影響により、物質自体が周りの磁場を打ち消す方向の極性の磁石になるという性質であるからです。

物理学において、磁気ともいう磁性とは、物質が原子あるいは原子よりも小さいレベルで磁場に反応する性質であり、他の物質に対して引力や斥力を及ぼす性質の一つです。

反磁性による反発力を利用して、非常に強い磁場をかけると、反磁性体を磁気浮上させることができます。

例えば実験室などで15~20T程度の磁場を発生させ物質にかけると、水を多く含んだりんごや卵、生物などを浮かせることができ磁束線はN極、S極を経由してクルクル回るのです。

また、反磁性の強い熱分解カーボンやビスマスなどは、磁力の強いネオジム磁石を用いた室温実験でも十分浮上させることができます。

 近づける磁石の極性によらず、どちらの極にも反発するというと、見かけ上の反重力が出来そうですね。

磁気の掛け方によって、重力を弱めることも、場合によっては重力を強めることも、見かけ上できると言いますからね。

このようにして現れた物質の磁力は、外部磁場が存在すると言うこと自体に由来しているため外部磁場の消滅と共に消滅します。

また、反磁性体に強い磁場を印加しても、その反磁性体が強磁性体のように自発磁化を持つことはないです。

 反磁性による反発力を利用して、非常に強い磁場をかけると、反磁性体を磁気浮上させることができる。

 水を多く含んだりんごや卵、生物などを浮かせることができるなら、水が豊富な天体なら丸ごと強い磁気で包めば、見かけ上の重力はどこから見ても小さくなる。

可能性は、ありますよ。

ガス天体と思っていた星は、実は水の塊でもっと重かったというなら、全体を包んでいた強力な磁気の悪戯に見事に騙されていたことになりますからね。

実際、かつては天王星、海王星もガス天体含めていたが、現在では別の巨大氷惑星として天王星型惑星に分けられています。

木星についても、表面はガス状で硬い地表はないとしながらも、内部に液状の構造があることは最新研究も認めていますからね。

さらに、木星のガスの組成は水素が90%、ヘリウムが10%と太陽によく似ているというから、今後の太陽研究の展開も注目していきたいですね。

惑星を知ろう...[ 木 星 ]
http://www.planetary.or.jp/jupitar.html

 木星の大気は何層にもなった氷の雲が重なり、木星の主成分である液体水素を含んでいる。

大気の上層部の温度は-130℃であるが、下方は1000℃以上でガスは液化している。

木星の表面と中心核の中間領域では、高熱1万℃と高圧で水素は液体金属になっている。

 液体金属水素は高速で回転する木星の働きで電流を生み、木星の巨大な磁場を作り出している。

この磁場の磁力線により、木星の周りには地球の磁気圏の1200倍も大きいまゆの形をした巨大な磁気圏が形成されている。

この磁気圏は太陽風を構成する高速の荷電粒子を捉えるため、探査機に障害となる放射線帯を作っている。

 液体金属水素の層の下は水とアンモニアと溶解した岩石層で、その下に中心核がある。

木星の中心核の温度は摂氏3万5000℃もあり、太陽から受ける2倍の熱を放出している。

こういう最新研究は、チェックが必要ですね。

さらに水銀や金、ビスマスのように内殻電子の多い重い金属にも反磁性を示すものが少なくないが、これらは非磁性であるとみなされていることが多いです。

しかし普段は反磁性体と意識しないような物質についても、非常に強い外部磁場のもとではその反磁性が強くあらわれる。

水は弱い反磁性体であるため、水を入れた容器の中心に強力な磁石を入れると水が左右へと分かれる現象が生じます。

この現象は1993年に発見され、旧約聖書『出エジプト記』のモーセにちなみモーゼ効果(Moses Effects)とよばれています。

一方、常磁性を持つ液体で同様の実験を行うと、逆に容器の中心に液体が集まるという現象を確認できます。

この現象を逆モーゼ効果(reverse Moses effect)とよびます。

 飛鳥昭雄と三神たけるは、モーゼ効果こそが紅海の奇跡を引き起こした原因そのものと言ってますね。

彼らの言い分をとんでもないという前に、他の決定的説明をする方がよほど効果的な反論ですけどね。

諸説あっても、どれも決定打でない以上、選択肢に入り続けますよ。

身近な物質の反磁性磁化率

物質名             χm=Km-1×10-5
ビスマス            -16.6
炭素(ダイヤモンド)         -2.1
炭素(グラファイト)         -1.6
銅                 -1.0
鉛                 -1.8
水銀                 -2.9
銀                 -2.6
水                -0.91

例外的に強い反磁性を持つのが超伝導体です。

超伝導体は第一種超伝導体と第二種超伝導体にわけられるが、このうち第一種超伝導体の内部には磁束が侵入できないマイスナー効果が働くと考えられています。

第一種超伝導体の内部では完全に磁場が打ち消されており、磁化率がちょうど-1です。

このような性質を完全反磁性といいます。

第二種超伝導体は強力な磁石の上に静止して浮上します。

このとき、第二種超伝導体はマイスナー効果などの完全反磁性の性質により浮力を得て、更に第二種超伝導体のピン止め効果によって静止力を得ています。

超伝導体はその内部から完全に磁場を排除するマイスナー効果のため、完全反磁性体(χv = −1)と考えられています。

反磁性の起源を古典的に説明すると、物質に磁場を加えたとき、その電磁誘導によって物質中の荷電粒子(実質的には電子)に円運動が誘発され、一種の永久電流が流れ続けます。

この電流は、磁場が弱くなる方向へ磁場と磁場勾配に比例した力(ローレンツ力)を生じるとともに、レンツの法則に従い外部の磁場を打ち消す方向に磁場を生み出す。

この円運動の挙動はジョゼフ・ラーモアによって1895年に研究され、さらにポール・ランジュバンによって定式化されたので、これをラーモア反磁性、もしくはランジュバンの反磁性といいます。

これは誰もまだ原子がどのように構成されているかを知らない時代であったにもかかわらず、反磁性の性質や発生する力の大きさを良く説明し、実験との一致はすばらしいものがありました。

この古典的な説明は、すべての導体が実質的に反磁性を示すことからも推測できます。

変化する磁場に置かれた導体には、電磁誘導によって自由電子に円運動が起こり誘導電流が流れます。

 この電磁誘導は、IHを謳った家電製品で起きていることでしょ。

IHはInduction Heating(誘導加熱)の略で、誘導電流で鍋や鉄板自体に発熱させるのでガス並みの火力がでるというのがセールスポイントですね。

100Vより200Vの方が効率が良いので、キッチンに作り付けのIHクッキングヒーターは今では大半が200Vではないかと思います。

この誘導電流によって磁場の変化とは反対向きの誘導磁場が生じるとともに、磁場と磁場勾配に比例するローレンツ力を生じ、導体の運動や磁場の変化に抵抗する力になります。

この現象は物質の反磁性と良く似ています。

ラーモアらの理論から計算すれば、すべての物質は電子を持つのでその磁性には多かれ少なかれ反磁性の寄与があり、ほとんどのものは磁化率にして10-5程度のオーダーしかない極めて小さいものであることがわかります。

このように、反磁性は古典的な範囲で説明されたかのように思われていたが、ニールス・ボーアは古典力学で計算すると熱平衡の状態で磁性がゼロになることを1911年に見いだし、ボーア=ファン・リューエンの定理と呼ばれるようになります。

このため、反磁性の説明は量子力学に取って代わられたが、量子力学から厳密に導かれた結果はラーモアらの理論と正確に一致していました。

量子力学によれば、不対電子が存在しない物質は弱い反磁性となり、不対電子によるスピンが存在する物質は常磁性や強磁性などの性質が顕著になります。

なお、金属中の自由電子については量子論的な取り扱いによる定式化がレフ・ランダウによってなされています。

そのため、金属の電子による反磁性は、ランダウ反磁性とよばれています。

ベンゼン環の面に対して垂直に磁場をかけると、レンツの法則によって磁場を打ち消そうとベンゼン環に沿って電流が流れます。

レンツの法則とは、19世紀のロシアの物理学者、ハインリヒ・レンツによって発見された電磁誘導に関する法則です。

何らかの原因によって誘導電流が発生する場合、電流の流れる方向は誘導電流の原因を妨げる方向と一致するというものです。

例えばコイルに軸方向から棒磁石を近づけると、誘導電流が流れます。

コイルに電流が流れると磁場が生じるが、この磁場はレンツの法則が示唆する向き、すなわち棒磁石の接近を妨げる向きとなるのです。

ベンゼンは、分子式 C6H6 を持つ最も単純な芳香族炭化水素です。

炭素原子6個が6角形に並び環状になるベンゼン環は、ベンゼンの構造としてよく知られています。

磁場を打ち消そうとする電流が流れることにより、ベンゼン環などを含む有機物では、他の物質よりも大きな反磁性が発生することがあります。

更にグラファイトのようなベンゼン環の集まりの物体には、磁場に対してねじれ力が働きます。

これが反磁性磁場配向で、実際には、反磁性磁場配向を観測するには、強力な磁場が必要です。

 ベンゼン環の面に対して垂直に磁場をかけると、レンツの法則によって磁場を打ち消そうとベンゼン環に沿って電流が流れる。

 つまり、環状の面に対して垂直に磁場をかけると、レンツの法則によって磁場を打ち消そうと環に沿って電流が流れるということですか。

 輪のある土星、海王星、冥王星は、輪のない木星より磁気が小さいでしょ。

近年、木星にも輪があることがわかってきましたよ。

ただ、氷の塊でできた土星などのリングと異なり、繊細な木星のリングは、惑星間塵が木星の小衛星に衝突する際にまい上がる微粒子で作られています。

 レンツの法則によって、磁場を打ち消そうと環に沿って電流が流れるわけでしょ。

 土星、海王星、冥王星などの輪は、氷ですよね。

おそらく濁っているでしょうけどね。

 濁った氷でできているなら、土星、海王星、冥王星の輪に電流が流れて、レンツの法則が働いているなどということは、あるのですか。

氷の輪のある土星、海王星、冥王星は、微粒子からなる輪を持つ木星より磁気が小さいのは、客観的事実ですからねえ。

レンツの法則が、惑星間塵からなる輪を持つ木星より、氷の輪のある土星や海王星や冥王星の方が、大きく働いている可能性はありそうですね。

追記

様々な磁気浮上の動画があります。

日本磁気科学界
磁気科学ギャラリー
http://www.magneto-science.jp/gallery.html

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コメント

Short, sweet, to the point, FREE—exactly as information shulod be!

投稿: Idalia | 2011年7月17日 (日) 15時26分

No problem?

投稿: cova | 2011年7月17日 (日) 16時56分

Thank you so much for this artcile, it saved me time!

投稿: Maryellen | 2011年7月17日 (日) 18時07分

You're welcome.

投稿: cova | 2011年7月17日 (日) 19時58分

ベンゼン環と反磁性は未知ですね。なんかあるですね。フラーレンC60やグラファイトでは超伝導が起きやすいようだし。

投稿: 伴 公伸 | 2014年7月 4日 (金) 13時30分

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