磁石が一度磁化されると、外部から加えた磁場を取り去っても磁気を保つことがあります。
このように、磁化の状態が現在の磁場だけでなく過去に受けた磁場の履歴にも左右される性質を、磁気ヒステリシスと呼びます。
モーター、変圧器、リレー、磁気記録媒体などでは、この性質が性能や消費電力、発熱、記録の安定性を決める重要な要素です。
ヒステリシス曲線の見方を理解すると、残留磁化や保磁力の意味、磁性材料の選び方もつながって見えてきます。
磁気ヒステリシスの意味と全体像
それではまず磁気ヒステリシスの意味と全体像について解説していきます。
磁場の変化に遅れて現れる磁化
磁気ヒステリシスとは、磁性体に加える磁場を変化させたとき、磁化が同じ道筋をそのまま戻らない現象です。
鉄、ニッケル、コバルト、フェライトなどの強磁性体では、磁区と呼ばれる微小な領域が向きを変えることで磁化が生じます。
磁場を強くする過程と弱くする過程では、磁区の動き方や固定され方が異なるため、磁化の値にも差が出ます。
磁気ヒステリシスは、磁化が磁場の履歴を記憶する性質と考えると理解しやすいでしょう。
英語の hysteresis には遅れという意味があり、磁気の分野では外部磁場に対する磁化の遅れや履歴依存性を表します。
磁化と磁束密度の違い
磁気の説明では磁化 M、磁場 H、磁束密度 B という記号がよく使われます。
磁場 H は外部から磁性体へ加える磁気的な働きかけを示し、単位には A／m が用いられます。
磁化 M は材料の内部で磁気モーメントがどの程度そろっているかを表す量です。
磁束密度 B は材料内部を通る磁束の密度であり、単位はテスラです。
B は、真空の透磁率と磁場 H、磁化 M の関係で表されます。
B ＝ μ0（H ＋ M）という関係を押さえると、材料の磁化が磁束密度に影響する理由を整理できます。
実務では B と H の関係を描いた曲線を B-H 曲線、または磁化曲線と呼ぶことが一般的です。
日常製品に見られる影響
冷蔵庫用マグネットが金属面に貼り付くのは、磁石が残留磁化を維持しているためです。
一方で、交流電源を使う変圧器では、磁化と消磁を毎秒何十回も繰り返すため、ヒステリシスによる損失を抑える必要があります。
ハードディスクや磁気カードでは、外部の乱れで記録が消えにくいことが求められます。
このため、用途によっては磁化されやすさよりも、磁化を保つ強さが重視されます。
ヒステリシス曲線の読み取り方
続いてはヒステリシス曲線の読み取り方を確認していきます。
ループ形状が示す磁気の履歴
ヒステリシス曲線は、横軸に磁場 H、縦軸に磁束密度 B または磁化 M を取って表します。
磁場をゼロから正方向へ増やすと、磁区が徐々にそろい、磁束密度は上昇します。
十分に強い磁場を加えると、材料はほぼ磁化しきった状態となり、飽和磁化に近づきます。
そこから磁場を弱めても曲線は同じ経路を戻らず、閉じた輪のような形を描きます。
この輪がヒステリシスループであり、材料ごとの磁気的な個性を視覚化したものです。
飽和磁化に至る過程
最初に磁化されていない材料へ磁場を加えたときの曲線は、初磁化曲線と呼ばれます。
弱い磁場の範囲では、磁壁の移動によって磁区の割合が変化し、磁束密度が比較的なめらかに増えます。
さらに磁場を強めると、磁区そのものの向きが回転し、より多くの磁気モーメントが外部磁場の方向へそろいます。
最終的には増加が緩やかになり、飽和に近い状態となります。
飽和後に磁場だけをさらに強くしても、磁束密度は大きく増えません。
設計では、この飽和領域に入りすぎないよう、コアの断面積や巻線数、電流値を検討することが重要です。
曲線面積とエネルギー損失
ヒステリシスループで囲まれた面積は、磁化と消磁の一周期で熱として失われるエネルギーに対応します。
これをヒステリシス損失と呼び、交流磁場の周波数が高いほど、単位時間当たりの損失は大きくなりやすい傾向があります。
ループが細い材料は損失が小さく、変圧器やインダクタの鉄心に向いています。
ループが太い材料は外部磁場の変化に対して状態を保ちやすく、永久磁石や磁気記録に活用されます。
残留磁化と保磁力の関係
続いては残留磁化と保磁力の関係を確認していきます。
残留磁化の意味
材料を正方向に十分磁化した後、外部磁場 H をゼロに戻しても残る磁束密度を残留磁束密度、または残留磁化と呼びます。
記号では Br と表されることが多く、永久磁石の強さを評価する代表的な指標です。
残留磁化が大きいほど、磁場を取り去った後にも磁力を残しやすいといえます。
ただし、残留磁化だけが大きくても、逆向きの磁場で簡単に消えてしまう材料は、安定した永久磁石には向きません。
保磁力の意味
残った磁化をゼロにするために必要な逆向きの磁場の強さを保磁力と呼びます。
保磁力は Hc と表され、外部からの磁気的な妨害に対する強さを知る手掛かりになります。
保磁力が大きい磁石は、他の磁石、電流、温度変化などの影響を受けても磁化が失われにくい特徴があります。
残留磁化 Br は磁場をゼロにしたときの残り方です。
保磁力 Hc は、その残りを打ち消すために必要な逆向き磁場の強さです。
両者は似た言葉ですが、評価している内容は異なります。
永久磁石の性能を示す指標
ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、フェライト磁石などは、一般に保磁力が比較的大きい硬磁性材料です。
永久磁石では Br と Hc に加え、最大エネルギー積 BHmax も重要になります。
最大エネルギー積は、磁石が外部へ取り出せる磁気エネルギーの目安です。
小型で強い磁石が必要なモーターやスピーカーでは、高い残留磁化と十分な保磁力の両立が求められます。
| 項目 | 示す内容 | 値が大きい場合の傾向 |
|---|---|---|
| 残留磁化 Br | 磁場をゼロにした後に残る磁化 | 磁石としての磁力を保ちやすい |
| 保磁力 Hc | 磁化をゼロに戻す逆向き磁場 | 減磁や外乱に強い |
| 飽和磁化 | 強磁場での磁化の上限 | 大きな磁束密度を得やすい |
| ループ面積 | 一周期で失われる磁気エネルギー | 交流機器では発熱が増えやすい |
軟磁性材料と硬磁性材料の特徴
続いては軟磁性材料と硬磁性材料の特徴を確認していきます。
軟磁性材料の用途
軟磁性材料は、比較的小さな磁場で磁化し、磁場を除くと磁化も残りにくい材料です。
代表例には電磁鋼板、純鉄、パーマロイ、軟磁性フェライトなどがあります。
保磁力が小さくヒステリシスループが細いため、磁化と消磁を繰り返す装置に適しています。
変圧器、リレー、電磁石、モーターの鉄心では、小さなヒステリシス損失が省エネルギー化につながります。
硬磁性材料の用途
硬磁性材料は、一度磁化すると磁気を保ちやすく、保磁力が大きい材料です。
ネオジム磁石やフェライト永久磁石が代表例で、ヒステリシスループは横方向に広がる形になります。
外部電源を使わずに磁場を作れるため、磁気センサー、発電機、モーター、固定具などに用いられます。
ただし強い衝撃、高温、逆磁場などで性能が低下する場合があるため、使用環境に応じた材質選定が欠かせません。
用途別の材料選定
材料選定では、磁力の強さだけでなく、周波数、温度、加工性、コスト、腐食への強さも確認します。
高周波回路では渦電流損失も問題になるため、電気抵抗の高いフェライトが有利になるケースがあります。
一方で大電力の変圧器では、薄い電磁鋼板を積層して渦電流を抑える構造が使われます。
交流機器では磁化しやすく損失の小さい軟磁性材料が基本です。
磁力を長く保つ部品では、減磁しにくい硬磁性材料が適しています。
磁気ヒステリシス損失と低減方法
続いては磁気ヒステリシス損失と低減方法を確認していきます。
損失が発生する仕組み
磁区が移動したり向きを変えたりするとき、材料内部では摩擦のような抵抗が生じます。
加えたエネルギーの一部は元に戻らず、熱として放出されます。
これがヒステリシス損失であり、コイルに交流を流す機器では無視できません。
ヒステリシス曲線の面積が大きいほど、一回の磁化サイクルで失われるエネルギーも大きいという関係があります。
周波数と温度による変化
交流の周波数が上がると、磁化と消磁の回数が増えるため、発熱も増えやすくなります。
高周波電源、スイッチング電源、通信機器では、材料の周波数特性を確認することが大切です。
温度の変化も磁気特性に影響し、永久磁石では残留磁化や保磁力が低下することがあります。
特に高温環境では、想定温度における減磁曲線や不可逆減磁の有無を確認すると安心です。
設計と加工での対策
ヒステリシス損失を減らすには、低損失の磁性材料を選び、磁束密度が過度に高くならないよう設計します。
コアを薄板で積層する、粉末材料を使う、適切な熱処理を施すといった方法も有効です。
損失の対策では、材料だけを見ても十分ではありません。
周波数、磁束密度、コア形状、巻線、冷却方法をまとめて検討することで、発熱と効率のバランスを取りやすくなります。
磁気回路に空隙を設ける場合は、必要な電流や漏れ磁束の変化も考慮します。
磁気特性と電気特性を切り分けずに評価する視点が、実用的な設計につながります。
磁気ヒステリシスのまとめ
磁気ヒステリシスは、磁性体の磁化が外部磁場の履歴に依存する現象です。
ヒステリシス曲線では、磁化の飽和、残留磁化、保磁力、エネルギー損失をまとめて確認できます。
残留磁化は磁場を除いた後に残る磁気を示し、保磁力はその磁気を打ち消すために必要な逆向き磁場を表します。
永久磁石には大きな保磁力、交流用コアには小さなヒステリシス損失が求められる点が重要です。
磁石や電磁部品の性能を判断するときは、単純な磁力だけではなく、ヒステリシス曲線の形、使用温度、周波数、損失まで確認しましょう。
磁気ヒステリシスを理解すると、なぜ磁石が磁力を保つのか、なぜ変圧器が熱を持つのかを同じ考え方で説明できます。
用途に合う磁性材料を選ぶための基礎として、残留磁化と保磁力の違いを押さえておくことが大切です。
