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ここに書いてあることは、誰かが実際に手を動かして調べ、考え、作り上げてきたものを拾い集めています。専門の本や論文、作品、そしてそれを生み出した人たち。気になったことがあれば、ぜひそのおおもとに直接ふれてみてください。このメモには書ききれない熱を、感じてもらえると思います。

あたためると、じしゃくの ちからは どうして きえるの?

磁石を温めると、なぜ力がなくなるのか ── キュリー温度の話

磁石を温めると、なぜ力がなくなるのか ── キュリー温度と、電子スピンの向きの乱れ

分野:技術

すいはんきの なかには、じしゃくの せいしつを つかって、ごはんが たけたのを しる ものが あります。どうして たけたと わかるのでしょう。

ひみつは、じしゃくです。じしゃくは、あたためると、ちからを なくす ことが あります。

このメモでは、すいはんきの なかの じしゃくから はじめて、400ねんまえの ひの じっけんや、ちからが きえる わけを しらべて みた。

磁石の性質を使って、ごはんが炊けたことを知る炊飯器がある。磁石は、温めると力をなくすことがある。

このメモでは、炊飯器の中の磁石から始めて、400年前の火の実験、ピエール・キュリーの1895年の論文、力が消える理由、ハードディスクの新しい技術、溶岩に残る地球の磁場を、資料でたどる。

磁石の温度スイッチで、ごはんが炊けたことを知る炊飯器がある。磁石は、ある温度をこえると、磁石にくっつく性質そのものをなくす。この温度を、キュリー温度という。

このメモでは、炊飯器の温度スイッチから始めて、ギルバートの火の実験(1600年)とキュリーの論文(1895年)、力が消える理由、キュリー温度より手前で起きる減磁、ハードディスクの熱アシスト記録、溶岩に残る磁場の向きを、特許・大学の実演・メーカーの資料・論文で調べた。磁石がなぜ鉄にくっつくのかは磁石はなぜ鉄にくっつくのかのメモで扱ったので、ここでは温度に注目する。

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1. すいはんきは、ごはんが たけたのを どうして しるの?

1. 炊飯器の「カチッ」── 磁石が温度計になる

1. 磁石式の温度スイッチ ── 炊き上がりを、磁石が力を失う温度で知る

すいはんきの そこには、じしゃくと、じしゃくに くっつく ぶひんが はいって いる ものが あります。この ぶひんは、おんどが あがると、じしゃくに くっつかなく なります。

おなべに みずが のこって いる あいだは、そこの おんどは 100℃ぐらいで とまります。ごはんが たけて みずが なくなると、いっきに あつく なります。すると ぶひんが じしゃくの ちからを なくして、ばねが はたらき、スイッチが きれるのです。

おんどけいの めもりを よんで いるのでは ありません。じしゃくが ちからを なくす おんどが、そのまま スイッチに なって います。ただし ほんとうは、いまの すいはんきには、ほかの ぶひんを いっしょに つかって、ひを こまかく かえる ものも あります。

水と米を入れて加熱すると、釜の中で水が沸騰する。ふつうの気圧では、水が残っているうちは、釜の底は100℃くらいから上がらない。米が水を吸って水がなくなると、底の温度は急に上がる[3]。

この「水がなくなった」という合図を、磁石で受け取る炊飯器がある[2][3]。釜の底に、バネで押しつけられた「感温フェライト」という部品と、磁石が入っている[1]。感温フェライトは、ふだんは磁石に引かれる。ところが、決まった温度をこえると、引かれなくなる。この温度は、100℃より少し高いところに合わせてある。中国の特許(2005年出願)には、103℃前後の例と、80〜105℃という範囲が書かれている[1]。引く力がなくなると、バネが働いて、スイッチが切れる[1]。

温度計の目盛りを読んでいるのではない。磁石が力をなくす温度そのものが、スイッチになっている。冷えれば、磁石の力は戻る[3]。

では、力をなくす温度は、どの磁石でも同じなのか。

釜に米と水を入れて加熱すると、水が沸騰し、釜の底は100℃前後にとどまる。ふつうの気圧では、水が残っているうちは、釜の底が水の沸騰する温度を大きく超えることはない。米が炊けて水がなくなると、釜の底の温度は急に上がる[3]。

この合図を、磁石で受け取る型の炊飯器がある[2][3]。中国の特許(2005年出願)によれば、釜の底にバネで押しつけた感温フェライト((Ni,Zn)Fe2O4 か (Mn,Zn)Fe2O4)と、磁石を組み合わせる。感温フェライトのキュリー温度は80〜105℃で、103℃前後の例が挙げられている。この温度を超えると、感温フェライトは磁石を引かなくなり、バネがはねて、スイッチの接点が離れる[1]。特許は、標高が高くて水が98℃までしか上がらない場所のことにも触れている。沸騰する温度が変わる場所では、部品の温度も合わせる必要があるからだ[1]。

感温フェライトは、材料の組成を変えると、キュリー温度を−10〜130℃の間で決められるという[2]。温度計の目盛りを読むのではなく、磁石が力をなくす温度そのものを、スイッチにしている。冷えると磁力は戻る[3]。最近のIH式などでは、磁石のほかに、温度で電気の通りやすさが変わる部品(サーミスタ)も使って、火加減を細かく調整する、という説明もある[3]。

磁石が温度で力をなくすことは、炊飯器だけの話ではない。何度で、どんな物質で起きるのか。

2. じしゃくが ちからを なくす おんどは、ぜんぶ おなじ?

2. 力をなくす温度は、金属ごとにちがう

2. キュリー温度 ── 物質ごとに決まった温度

じしゃくに くっつく きんぞくが ちからを なくす おんどを、キュリーおんどと いいます。ものに よって ちがいます。

すいはんきの ぶひんは、100℃を すこし こえた ところ。てつは、あかく ひかるほど あつい 770℃です。ガドリニウムと いう きんぞくは、へやの おんどに ちかい 20℃ぐらいです。

だいがくの じっけんでは、ガドリニウムの かけらを つよい じしゃくに くっつけて、あたたかい かぜを あてると、50℃ぐらいで ぽとんと おちたそうです。

磁石にくっつく金属が、磁石の性質をなくす温度を、キュリー温度という。この温度は、物質ごとに決まっている。

鉄は約770℃。赤く光るほど熱くなったところだ[7]。大学の物理実演では、鉄のワッシャーを磁石の下につるして、バーナーで赤くなるまで熱すると、磁石から離れて振れる[4]。ニッケルは約350℃[6]。炊飯器の部品は、100℃より少し上だ[1]。ネオジム磁石は、300〜330℃ほどといわれる[6][8]。

いちばん低いのが、ガドリニウムという金属だ。純粋なものは約20℃で、ほとんど室温になる[4][5]。大学の実演では、強い磁石にくっつけたガドリニウムのかけらに温風をあてると、約50℃で落ちる。かけらに不純物が混じっているため、純粋なものより少し高くなるという[4]。

材料の組み合わせを変えれば、力をなくす温度を変えられる。炊飯器の部品は、それを100℃のすぐ上に合わせたものだ[2]。

磁石にくっつく金属(強磁性体)が、磁石の性質を失う温度を、キュリー温度という。この温度は、物質ごとに決まっている。

物質ごとのキュリー温度のめやす
物質キュリー温度のめやす
ガドリニウム(純粋なもの)約20℃(293.2 K)[4][5]
炊飯器用の感温フェライト80〜105℃の範囲、103℃前後の例[1]
ネオジム磁石300〜330℃[6][8]
ニッケル約350℃[6]
磁鉄鉱(マグネタイト)約580℃[7]
鉄約770℃[7]

物理の実演でも、この温度は見える。カリフォルニア大学サンタクルーズ校の物理実演室では、鉄のワッシャーを磁石の下につるし、プロパンバーナーで赤く光るまで(約770℃)熱すると、ワッシャーは磁石から離れて振れる。ガドリニウムの実演では、強い磁石にくっつけた試料をヒートガンで温めると、約50℃で落ちる。純粋なガドリニウムのキュリー温度は19℃だが、試料には不純物が混じっていて、値が高く出るという[4]。

ガドリニウムのキュリー温度が室温に近いのは、めずらしい。ほかの代表的な強磁性の金属は、500 K(約230℃)を大きく超える[5]。材料の組み合わせで決まる温度なので、炊飯器の部品のように、100℃のすぐ上に合わせた材料も作れる[2]。

3. この おんどを、だれが しらべたの?

3. 400年前の火の実験から、キュリーの論文まで

3. ギルバートの火の実験(1600年)から、キュリーの論文(1895年)まで

いまから 400ねんも まえの 1600ねん、イギリスの ギルバートは、じしゃくの ほんを かきました。ひに いれて まっかに した てつの ぼうは、じしゃくの ちからを なくしたそうです。

それから 300ねんちかく あとの 1895ねん、フランスの ピエール・キュリーが、なんどで ちからが なくなるのかを、ひろい はんいで しらべた ろんぶんを かきました。てつは 1370℃ぐらいまで しらべたそうです。その まえにも しらべた ひとは いて、キュリーは、それを もっと たかい おんどまで ひろげました。

この おんどに、キュリーの なまえが ついて います。

磁石が熱で力をなくすことは、ずいぶん前から知られていた。1600年、イギリスのウィリアム・ギルバートは、磁石の実験をまとめた『磁石論』を出した。1901年の紹介記事によれば、ギルバートは、磁石にした鉄の棒を赤くなるまで火に入れると、磁石の力がすっかりなくなることを見つけた。さらに、赤くなった棒を地球の磁場にそって(南北の向きに)置いて冷ますと、棒はまた磁石の力をもった[9]。

「何度で」を、広い範囲で測ったのが、フランスのピエール・キュリーだ。1895年、キュリーは「いろいろな温度における物体の磁気的性質」という長い論文を出した[10]。序論によれば、鉄とニッケルが磁気の性質を変える温度(当時の値で、鉄は約770℃、ニッケルは約340℃)は、ホプキンソンという研究者がすでに調べていた。キュリーは、もっと広い温度で測り、変わったあとの鉄の性質を約1370℃まで追いかけた。強磁性の物体は、熱すると少しずつ、弱い磁性の物体に変わる、と書いている[10]。

この温度は、いまキュリー点(キュリー温度)と呼ばれる[11]。キュリーは、1880年に兄のジャックと、水晶などに力を加えると電気が生まれる性質を見つけた人でもある[11]。

「何度で」は測れた。では、なぜその温度で力が消えるのか。

磁石が熱で力を失うことは、キュリーより前から知られていた。イギリスのウィリアム・ギルバートは、1600年の『磁石論』で、磁石にまつわる多くの実験をまとめた。1901年の紹介記事によれば、ギルバートは、磁石にした鉄の棒を赤くなるまで火に入れると、磁石の力がすっかりなくなることを見つけた。さらに、赤くなった棒を地球の磁場にそって(南北の向きに)置いて冷ますと、棒はまた磁石の力をもった。ギルバートはこれを、地球の影響のためと考えた[9]。

「何度で」を広い範囲で測ったのが、フランスのピエール・キュリー(1859〜1906)だ。1895年、キュリーは「いろいろな温度における物体の磁気的性質」という長い論文を発表した[10]。事典によれば、これは博士論文で、強磁性は温度が上がると弱まり、その物質に決まった温度で弱い常磁性に変わることを示した[11]。

論文の序論を読むと、話は少し込み入っている。キュリー自身が、鉄とニッケルが磁気の変態を起こす温度(当時の値で、鉄は約770℃、ニッケルは約340℃)は、ホプキンソンがすでに調べていた、と書いている。キュリーが新しくやったのは、もっと広い磁場と温度の範囲で測ることだった。変態したあとの鉄の性質を、約1370℃まで追いかけた。そして、強磁性の物体は、熱すると「少しずつ」弱い磁性の物体に変わる、とまとめた[10]。この温度は、いまキュリー点(キュリー温度)と呼ばれる[11]。

キュリーは1880年に、兄のジャックと、水晶などの結晶に力を加えると電気が生まれる性質も見つけている[11]。その話は水晶とは何なのかのメモにある。

「何度で」は測れた。では、なぜその温度で力が消えるのか。

4. どうして あたためると ちからが きえるの?

4. そろえる力と、熱のゆれの勝負

4. スピンをそろえる力と、熱による乱れ

てつの なかには、ちいさな じしゃくが ぎっしり あります。となりどうし、おなじ むきに そろいたがる せいしつが あります。

ところが、おんどが あがると、ちいさな じしゃくが ねつで ゆらゆら ゆれて、むきが ばらばらに なります。ばらばらだと、ちからが うちけしあって、そとに でて きません。ちいさな じしゃくが なくなった わけでは ありません。

たとえば、みんなで そろって およぐ さかなの むれです。となりの さかなに あわせたい きもちと、ときどき でたらめな ほうへ いって しまう ゆれが、たたかいます。ゆれが すくないうちは むれは そろい、ゆれが おおきく なると ばらばらに なります。

ただし ほんとうは、てつの ちいさな じしゃくは、さかなの ように およぎません。ばしょは かわらず、かわるのは むきだけです。そろえる ちからも、さかなが めで みて あわせるのとは ちがい、でんしの ふしぎな きまりから うまれる ちからです。

鉄の中では、原子の中の電子が、それぞれ小さな磁石のようにふるまう。これをスピンという。鉄のような強磁性体では、となり合う原子のスピンが同じ向きにそろうほうが、安定する[12]。そろえる力は、電子の量子力学的な性質から生まれる(交換相互作用)[12]。くわしくは磁石のメモにある。

温度は、原子の熱による揺れの激しさだ。鉄のような強磁性体では、温度が上がると、熱の揺れが、向きをそろえる力に勝つようになる。すると、スピンの向きがばらばらになって、全体としては打ち消し合い、磁石の力が外に出てこなくなる[6][8]。1つ1つの小さな磁石そのものが消えるわけではない。

変わり方は、スイッチのようにいきなりではない。温度が上がるほど、そろった程度は少しずつ小さくなり、キュリー温度で消える[12]。キュリーの論文も、熱した強磁性の物体は「少しずつ」弱い磁性の物体に変わる、と書いていた[10]。

たとえるなら、水槽でそろって泳ぐ魚の群れだ。となりの魚に向きを合わせようとする傾向が、そろえる力。ときどきでたらめな向きに行ってしまう揺れが、熱にあたる。揺れが小さいうちは群れはそろって進み、揺れが大きくなると、ばらばらになる。生き物の群れをモデルにした1995年のコンピューター実験は、まわりの平均に向きを合わせる粒に、ランダムな乱れを足すと、乱れが決まった大きさをこえたところで、そろった動きがなくなることを示した[13]。

ただし本当は、魚と鉄の原子はちがう。鉄の原子は結晶の決まった場所にいて、変わるのは磁石の向きだけだ。そろえる力も、魚が目で見て合わせるのとはちがい、電子の量子力学的な性質から生まれる。魚のたとえで合っているのは、「そろえる力と乱れの勝負で、ある境目をこえると、そろった状態が崩れる」という一点だけだ。

鉄の磁石の力のもとは、原子の中の電子のスピンだ。スピンは、電子がもつ小さな磁石のような性質で、詳しくは磁石はなぜ鉄にくっつくのかで扱った。鉄のような強磁性体では、となり合う原子のスピンが同じ向きにそろうと、エネルギーが低くなる。この力を、交換相互作用という。電子どうしの電気的な力(クーロン相互作用)と、電子どうしを区別できないという量子力学の性質から生まれ、原子と原子のあいだで、スピンの向きを結びつける[12]。

温度は、原子の熱による揺れの激しさだ。鉄のような強磁性体では、キュリー温度より低いあいだは、スピンをそろえる力が勝ち、自然な磁化が保たれる。キュリー温度より高くなると、熱の乱れが勝ち、スピンの向きはばらばらになる[8][6]。スピンそのものが消えるのではなく、向きが乱れて、全体として打ち消し合う。キュリー温度より上では、外から磁場をかけたときだけ弱く磁化する常磁性になる[4]。炊飯器の感温フェライトは酸化物で、金属の鉄とは、磁気を考える電子の状態がちがう[12]。ここでは鉄の場合で説明するが、キュリー温度をこえると磁石に引かれなくなる点は、炊飯器の部品でも同じだ[1]。

変わり方は、スイッチのようにいきなりではない。強磁性体の自然な磁化は、温度が上がるにつれて少しずつ小さくなり、キュリー温度でゼロになる[12]。ワイスの分子場理論は、まわりのスピンが作る磁場(分子場)でそろう、と考えて、この温度変化を計算した。ニッケルの磁化の温度変化は、この理論でよく説明される[12]。

たとえるなら、水槽でそろって泳ぐ魚の群れだ。となりの魚に向きを合わせようとする傾向が、そろえる力にあたり、一匹ずつがときどきでたらめな向きに行ってしまう揺れが、熱にあたる。揺れが小さいうちは群れはそろって進み、揺れが大きくなるとばらばらになる。ヴィチェクらの1995年の論文は、生き物の群れを意識した単純なモデルで、これを計算した。粒が、まわりの粒の平均の向きに合わせて動き、そこにランダムな乱れが加わる。すると、乱れが決まった大きさを超えたところで、全体の動きがそろった状態からばらばらの状態へと、連続的に変わる[13]。

ただし本当は、魚と鉄の原子はちがう。鉄の原子は結晶の決まった場所にいて、変わるのは磁石の向きだけだ。そろえる力も、魚が目で見て合わせるのとはちがい、電子の量子力学的な性質から生まれる。交換相互作用は、もとをたどれば電子どうしの電気的な力(クーロン相互作用)の計算から出てくるもので、小さな磁石どうしが引き合う力ではない[12]。魚のたとえで合っているのは、「そろえる力と乱れの勝負で、ある境目を超えると、そろった状態が崩れる」という一点だ。

5. じしゃくは、ちからを なくす まえに よわく ならないの?

5. 実際の磁石は、キュリー温度よりずっと手前で弱くなる

5. 減磁 ── キュリー温度よりずっと低い温度で起きること

なります。ネオジムじしゃくの キュリーおんどは 300℃ぐらいですが、ふつうの ネオジムじしゃくは、80℃までの ところで つかう ものと されて います。

あつく なると、そろえた むきを たもつ ちからが よわく なるからです。すこし よわく なっても、さめれば もどる ばあいと、さめても もどらない ばあいが あります。

じしゃくを ひで あぶったり しては いけません。やけどや かじの もとです。

ネオジム磁石のキュリー温度は300〜330℃ほどといわれる[6][8]。それなら300℃までは大丈夫かというと、そうではない。標準的なネオジム磁石は、80℃以下で使うのが一般的とされる[15]。

磁石の力の変わり方には、2種類ある。温度を戻せば元に戻る「可逆」の変化と、戻らない「不可逆」の変化だ[14]。ネオジム磁石は、温度が1℃上がるごとに、そろえた向きの崩れにくさ(保磁力)が0.5%以上下がる。それが足りなくなると、冷やしても磁力は元に戻らない[14]。保磁力を高める元素を加えると、最大で200℃ほどまで使える磁石も作れる[15]。

キュリー温度は、「材料そのものが、磁石にくっつく性質をなくす」温度だ。実際の磁石は、その手前のずっと低い温度から、弱くなって戻らなくなることがある。使える温度の目安は、メーカーが磁石の種類ごとに決めている。

ネオジム磁石のキュリー温度は、300〜330℃ほどといわれる[6][8]。それなら300℃までは磁石として使えるかというと、そうではない。標準的なネオジム磁石は、80℃以下で使うのが一般的とされる[15]。

磁石メーカーの資料では、温度による磁石の変化を、温度を戻せば元に戻る「可逆」の変化と、戻らない「不可逆」の変化(不可逆減磁)に分けている[14]。ネオジム磁石は、残留磁束密度が20℃で12,700 G、150℃で10,500 Gと、温度とともにゆるやかに下がる(この例では1℃あたり−0.134%)。これは、温度が戻れば元に戻る変化だ。一方、そろえた向きの崩れにくさ(保磁力)は、温度が1℃上がるごとに0.5%以上下がる。保磁力が足りなくなると、温度を戻しても磁力は戻らない[14]。ジスプロシウムやテルビウムを加えて保磁力を高めると、最大で200℃ほどまで使える磁石も作れる[15]。

つまり「磁石が力を失う」には、少なくとも2つのなくなり方がある。1つは、材料そのものが強磁性を失うキュリー温度。もう1つは、その手前の温度で、そろえた向きが保てなくなる減磁だ。前者は、炊飯器の部品のように、冷えれば磁力が戻る[3]。後者では、そろえた向きが崩れたままになる。キュリー温度をこえて熱した磁石を、磁場のない所で冷やしても、元の磁石のような向きのそろいは保たれにくいと考えられる。磁石として使うには、外から強い磁場をかけて向きをそろえ直す作業(着磁)が必要になる。使える温度は、磁石の種類ごとにメーカーが決めているので、その数字を守るのが基本だ。

6. ちからが なくなる おんどを、わざと つかうことも あるの?

6. 消える温度を、わざと使う ── ハードディスクの新しい書き込み

6. HAMR ── キュリー温度の近くまで熱して書き込むハードディスク

あります。パソコンの なかの ハードディスクは、ちいさな じしゃくの むきで、データを おぼえて います。もっと たくさん おぼえさせる ために、じしゃくを もっと ちいさく すると、むきが かわりにくい ざいりょうが いります。かわりにくいと、かきこむのも むずかしく なります。

そこで、かきこむ ところだけを、レーザーで いっしゅん あつく します。ちからを なくす おんどを こえて、むきを かえやすく なった ところで かきこみ、すぐ さめて、むきが きまります。まばたきよりも、ずっと ずっと みじかい じかんです。

すいはんきは、じしゃくが ちからを なくした ことを あいずに つかい、ハードディスクは、ちからを なくす おんどを わざと こえて かきこみます。おなじ せいしつの、ぜんぜん ちがう つかいかたです。

ハードディスクは、小さな磁石の向きでデータを覚えている。たくさん覚えさせるために磁石の粒を小さくすると、熱の揺れで向きが勝手に変わり、記録が消えやすくなる。それを防ぐには、向きを変えにくい材料がいる。ところが、そうすると書き込むのも難しくなる[17]。

そこで使われ始めたのが、熱アシスト磁気記録(HAMR)だ。ハードディスクメーカーのシーゲイトの資料によれば、記録ヘッドについた小さなレーザーが、ディスクの一点を一瞬、800℉(約430℃)をこえるまで熱する。記録層はキュリー温度をこえて保磁力が下がるので、向きを書き換えられる[16]。熱した点は、1ナノ秒(10億分の1秒)ほどで冷える[17]。同社は、この方式のハードディスクを、2024年に30TB級から出荷している、と説明している[16]。

炊飯器は、磁石が力を失ったことを合図に使う。ハードディスクは、力を失う温度をわざと越えて、向きを書き換える。同じ性質を、まったくちがう使い方で生かしている。

ハードディスクは、小さな磁石の粒の向きでデータを記録する。容量を増やすために粒を小さくすると、熱による揺れで向きが勝手に反転し、記録が消えやすくなる。これを防ぐには、向きを変えにくい(保磁力の高い)材料が必要になるが、そうすると、書き込む側の磁石でも向きを変えにくくなる[17]。

この行き詰まりに対して、シーゲイト社が製品化した方法が、熱アシスト磁気記録(HAMR)だ。同社の2024年1月の技術資料によれば、記録ヘッドに取りつけたレーザーが、2ナノ秒たらずで媒体の温度を800℉(約430℃)以上に上げる。媒体はキュリー温度を超え、保磁力が下がるので、向きを書き換えられる。媒体には、高い磁気異方性をもつ鉄白金(FePt)の合金が使われている[16]。熱した点は、1ナノ秒ほどで冷えて、向きが固定される[17]。同じ資料は、この技術による30TB以上のハードディスクが、2024年の第1四半期から出荷されている、と述べている[16]。

炊飯器は、磁石が力を失ったことを合図に使い、ハードディスクは、キュリー温度をわざと超えて書き込む。同じ性質の、まったくちがう使い方だ。

7. さめる ときには、なにが おきるの?

7. 冷えるときに向きが残る ── 溶岩が覚えている地球の磁場

7. 熱残留磁化 ── 溶岩が冷えるときに固定される磁場の向き

ひやされる ときにも、おもしろい ことが おきます。かざんから ながれ出た ようがんは、キュリーおんどより ずっと あつい ところから、さめて かたまります。そのとき、なかの じしゃくに くっつく つぶが、その ときの ちきゅうの じばの むきに そろって、そのまま のこります。

ギルバートの てつの ぼうも、まっかに してから みなみと きたの むきに おいて さますと、また ちからを もったそうです。

だから、むかしの ようがんを しらべると、そのころの ちきゅうの じばの むきが わかります。ちきゅうの じしゃくの はなしは、じしゃくの メモに あります。

逆に、キュリー温度をまたいで冷えるときには、何が起きるのか。火山から流れ出た溶岩は、磁鉄鉱などの磁性鉱物のキュリー温度よりずっと熱い。冷えて固まる途中で、溶岩の中の磁性鉱物は、そのときの地磁気と同じ向きに磁化する。これを熱残留磁気という[7]。磁鉄鉱のキュリー温度は約580℃だ[18]。

ギルバートが、赤くなった鉄の棒を南北に向けて冷ますと、また磁石の力をもった、という話を思い出す[9]。溶岩の中でも、ずっと大きな規模で、似たことが起きている。冷える途中で磁場がかかると、磁性鉱物の向きがそろう[19]。

だから、古い溶岩や岩石に残る磁化の向きを調べると、地磁気の向きや強さが昔どう変わってきたかが分かる[7]。地球の磁場がN極とS極を入れかえてきたことは、磁石のメモで扱った。

キュリー温度をまたいで冷えるときには、何が起きるのか。火山から流れ出た溶岩は、磁鉄鉱などの磁性鉱物のキュリー温度より、ずっと熱い状態から冷える。産総研の地質標本館は、溶岩が冷えて固まる過程で、溶岩の中の磁性鉱物が地磁気と同じ向きに磁化すると説明し、これを熱残留磁気と呼ぶ[7]。磁鉄鉱のキュリー温度は約580℃だ[18]。冷える過程で磁場がかかると、磁区の向きがそろう[19]。

ギルバートの実験を思い出すと、赤熱した鉄の棒を南北に向けて冷ますと、また磁石の力をもった[9]。溶岩は、これに似たことを、ずっと大きな規模で、自然に行っている。冷えるときの地球の磁場の向きが、そのまま石に残る。

だから、古い溶岩や岩石の磁化の向きから、地磁気の向きや強さが昔どのように変わってきたかが分かる[7]。地球の磁場が何度も反転してきたことや、77万年前の反転の記録が千葉県の地層に残ることは、磁石はなぜ鉄にくっつくのかのメモにある。

8. しらべて みよう

8. 数字を集めて、原典をのぞいてみる

8. キュリー温度の数字を集める、原典にあたる

じしゃくを あつくする じっけんは、やけどや かじの もとに なるので、おうちでは やりません。かわりに、こんな ことを しらべて みよう。

おとなと いっしょに、おうちの すいはんきを みる。コンセントを ぬいて、ぜんぶ つめたく なってから、なかの なべを はずして、そこの まんなかあたりを みます。なべの そこに おしつける、バネの ついた ぶひんが ある きしゅが あります。それが じしゃくの しかけか、ほかの ものかは、せつめいしょや メーカーの サイトで しらべます。ぶんかい したり、ねじを はずしたり しては いけません。

安全のために

すいはんきの なかを みる ときは、コンセントを ぬいて、ぜんぶ さめて から。じしゃくを あぶる ことは しません。

磁石を火であぶったり温めたりする実験は、やけどや火事のもとになるので、ここでは勧めない。かわりに、数字と原典で確かめる。

まず、数字を集める。このメモに出てきたのは、炊飯器の部品(100℃のすぐ上)、ガドリニウム(約20℃)、ニッケル(約350℃)、磁鉄鉱(約580℃)、鉄(約770℃)だった。磁石メーカーの用語集や商品の説明で、ほかの磁石のキュリー温度を探して、自分の表に足していく。ネオジム磁石なら、キュリー温度(300〜330℃ほど)と、使える温度の目安(標準品で80℃以下)を並べてみると、開きの大きさが分かる[8][15]。

次に、家にある炊飯器。大人といっしょに、コンセントを抜いて、すっかり冷めてから、内釜を外して底の中央あたりを見る。釜の底に押しつけるバネ付きの部品がある機種がある[1]。それが磁石式か、温度で電気の通りやすさが変わる部品(サーミスタ)かは、説明書やメーカーのサイトで調べる[3]。分解はしない。

原典を読むなら、キュリーの1895年の論文はフランス語だが、図書館のサイトで写真が見られる[10]。ギルバートの『磁石論』は、英訳が無料で読める[20]。

安全のために

炊飯器の中を見るときは、必ずコンセントを抜いて、すっかり冷めてから。ねじを外したり、分解したりしない。磁石を扱うときの注意(誤飲など)は、磁石のメモにある。

磁石を火であぶったり温めたりする実験は、やけどや火事のもとになるので、ここでは勧めない。かわりに、数字と原典で確かめる方法を挙げる。

まず、数字を集める。このメモに出てきたのは、炊飯器の部品(100℃のすぐ上)、ガドリニウム(約20℃)、ニッケル(約350℃)、磁鉄鉱(約580℃)、鉄(約770℃)だった。磁石メーカーの用語集や商品の説明から、ほかの磁石のキュリー温度を探して、自分の表に足していく。ネオジム磁石では、キュリー温度(300〜330℃ほど)と、使える温度の目安(標準品で80℃以下)の開きが大きい[8][15]。この差がなぜ生まれるかは、5章の可逆・不可逆の話で説明した。

次に、家にある炊飯器。大人といっしょに、コンセントを抜き、すっかり冷めてから、内釜を外して底の中央あたりを見る。釜の底に押しつけるバネ付きの部品がある機種がある[1]。それが磁石式か、サーミスタ式かは、説明書やメーカーのサイトで調べる[3]。分解はしない。

原典にあたるなら、キュリーの1895年の論文(Annales de chimie et de physique)は、Internet Archiveに写真版がある[10]。フランス語だが、序論の数ページだけでも、鉄を約1370℃まで測ったことや、先行研究への言及を確かめられる。ギルバートの『磁石論』は、英訳がProject Gutenbergで読める[20]。HAMRについては、シーゲイトの技術資料(英語)で、加熱の温度や時間、媒体の材料を確かめられる[16]。

安全のために

炊飯器の中を見るときは、必ずコンセントを抜いて、すっかり冷めてから。ねじを外したり、分解したりしない。磁石を扱うときの注意(誤飲など)は、磁石のメモにある。

しらべた もとの じょうほう

参考にした情報源

参考にした情報源と、その使い方

このメモは、下にあげた公開情報をもとに書いています。文章や図を無断で転載してはいません。もっと正確に知りたいときは、必ず下の出典にあたってください。リンク先の内容や、リンク先で起きたことについて、当サイトは責任を負いません。

  1. CN1899171A「Magnetic steel temperature limiter for electric rice cooker」(中国の特許公開、2005年出願、2007年公開)。 https://patents.google.com/patent/CN1899171A/en (感温磁鋼(フェライト)が、キュリー温度を超えると磁力を失い、バネの働きでスイッチが切れること。キュリー温度80〜105℃、103℃前後の例、標高の高い場所への言及)
  2. 週刊アスキー「パナソニックから東芝、そして台湾へ、一膳炊き鍋の変遷をたどる(1/2)」。 https://ascii.jp/elem/000/001/421/1421078/ (炊飯器の温度スイッチにフェライトと磁石が使われること、感温フェライトのキュリー温度を−10〜130℃の間で設定できること)
  3. 有限会社 原町電器産業「ご飯の炊きあがりの秘訣は「炊飯器のヘソ」~磁石の不思議な性質~」(2020年7月、地元の電器店による解説)。 https://www.haramachi-denki.jp/news/162785.html (水が残るうちは100℃を超えないこと、水がなくなると釜底の温度が急に上がり磁石が力を失うこと、冷えると磁力が戻ること、IH式でのサーミスタの併用)
  4. カリフォルニア大学サンタクルーズ校 物理実演室「Curie Point」。 https://ucscphysicsdemo.sites.ucsc.edu/physics-5c6c-demos/curie-point/ (赤熱した鉄のワッシャーが約770℃で磁石から離れること、ガドリニウムの試料が約50℃で落ちること、純粋なガドリニウムのキュリー温度は19℃で試料の差は不純物によること。英語のサイト)
  5. The Physics Factbook「Curie Temperature of Gadolinium」(学生の調べもの)。 https://hypertextbook.com/facts/2004/AndrewLee.shtml (ガドリニウムのキュリー温度293.2 K(1963年の測定)と、ほかの強磁性の金属より低いこと。英語のサイト)
  6. 株式会社マグナ「キュリー温度とは?ネール温度との違いも解説」。 https://www.magna-tokyo.com/column/curie-temperature (鉄約770℃、ニッケル約350℃、ネオジム磁石300〜330℃のキュリー温度。スピンが熱でランダムな向きになって磁力を保てなくなること)
  7. 産総研 地質標本館 キッズページ「まんがの解説 第9話 地磁気逆転」。 https://www.gsj.jp/Muse/kids/read/FullscreenBookBlock/chijigyakuten.html (鉄約770℃、磁鉄鉱約580℃のキュリー温度。溶岩が冷えて固まる過程で磁性鉱物が地磁気の向きに磁化する熱残留磁気)
  8. ネオマグ株式会社 磁石ナビ「キュリー温度」。 https://www.neomag.jp/mag_navi/glossary/glossary_main.php?title_name=キュリー温度 (キュリー温度以上では熱振動が大きくなり自発磁化が消えること。ネオジム磁石330℃)
  9. Popular Science Monthly 59巻(1901年8月)「Gilbert of Colchester」(Wikisource)。 https://en.wikisource.org/wiki/Popular_Science_Monthly/Volume_59/August_1901/Gilbert_of_Colchester (ギルバートが、磁化した鉄の棒を赤熱すると磁力を失うこと、南北の向きで冷ますと磁力が戻ることを報告したという紹介。英語のサイト)
  10. Pierre Curie「Propriétés magnétiques des corps à diverses températures」Annales de chimie et de physique 7e série 5 (1895) 289-405(Internet Archive の写真版)。 https://archive.org/details/propritsmagntiq00curigoog (別の写真版:https://gilles.montambaux.com/files/histoire-physique/Curie.Pierre-1895.pdf) (序論で、ホプキンソンが鉄とニッケルを磁気の変態(鉄約770℃、ニッケル約340℃)まで調べていたと述べていること。鉄を変態のあと約1370℃まで測ったこと。強磁性の物体は熱すると少しずつ弱磁性の物体になること。フランス語)
  11. Encyclopedia.com「Pierre Curie」(Complete Dictionary of Scientific Biography)。 https://www.encyclopedia.com/people/science-and-technology/physics-biographies/pierre-curie (1895年の博士論文の内容、強磁性が温度とともに弱まり弱い常磁性に変わる温度をキュリー点と呼ぶこと、1880年の兄ジャックとの圧電気の発見。英語のサイト)
  12. 佐藤勝昭「磁性の基礎」(第9回スピントロニクス入門セミナー資料、2010年)。 https://home.sato-gallery.com/education/kouza/jisei_kiso.pdf (ワイスの分子場理論、原子間の交換相互作用、自発磁化が温度とともに減少してキュリー温度で消えること、ニッケルの磁化の温度変化が理論でよく説明されること)
  13. Vicsek, T., Czirók, A., Ben-Jacob, E., Cohen, I., Shochet, O. (1995) “Novel Type of Phase Transition in a System of Self-Driven Particles”. Physical Review Letters 75: 1226-1229. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.75.1226 (まわりの粒の平均の向きに合わせて動く粒にランダムな乱れを加えたモデルで、乱れがある大きさを超えると全体の動きがそろった状態からばらばらの状態へ連続的に変わること。英語の論文)
  14. ネオマグ株式会社「磁石の温度変化のお話(その1)」。 https://www.neomag.jp/mailmagazines/topics/letter200612.html (可逆・不可逆の温度変化、ネオジム磁石の残留磁束密度の温度変化の例、保磁力が1℃あたり0.5%以上下がること)
  15. 株式会社 相模化学金属「ネオジム磁石 耐熱性」。 https://www.sagami-magnet.co.jp/explanation-magnet/heat-resisting (ネオジム磁石は80℃以下で使うのが一般的なこと、ジスプロシウムとテルビウムで保磁力を高めると最大で約200℃まで使えること)
  16. Seagate「What Is Mozaic 3+, How Does It Work, and What Can It Do for My Data Center?」(2024年1月17日付の技術資料)。 https://www.seagate.com/resources/what-is-mozaic-3plus-how-does-it-work-and-what-can-it-do-for-my-data-center/ (記録層をキュリー温度以上に熱して保磁力を下げて書くこと、800℉以上・2ナノ秒未満、鉄白金合金の媒体、30TB以上の出荷。英語のサイト)
  17. Seagate「Heat Assisted Magnetic Recording (HAMR)」。 https://www.seagate.com/innovation/hamr/ (粒を小さくすると熱安定性と書き込みやすさの両立が難しくなること、レーザーで一瞬加熱し、1ナノ秒ほどで冷えること。英語のサイト)
  18. 産総研 森尻理恵「岩石磁気の基礎の基礎 その2」。 https://staff.aist.go.jp/r-morijiri/research/research_pmag/pmag02.html (磁鉄鉱のキュリー温度が約580℃であること)
  19. 筑波大学 小野田繁樹「地球の岩石磁気学と古地磁気学」。 https://www.px.tsukuba.ac.jp/~onoda/ssh/node29.html (冷える過程で磁場がかかると磁区の向きがそろい、熱残留磁化が得られること)
  20. Project Gutenberg「On the magnet, magnetick bodies also, and on the great magnet the earth」(ギルバート『磁石論』の英訳)。 https://www.gutenberg.org/ebooks/33810 (ギルバート『磁石論』の英訳の全文。英語のサイト)

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