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強磁性体の磁化過程
無機固体化学
の単元です。
小単元
概要
☆ 鉄は強磁性体であるが、買ってきたばかりの鉄クギは
磁石になっていない。なぜか？
→ 鉄クギ全体が、磁気モーメントの揃った微小部分
（磁区）に分かれており、隣り合った磁区では磁気
モーメントが90°または180°の角度をなしている。
従ってクギ全体としては磁化されていないから。
→ しかし、クギに外部磁場をかけると（右図）、
磁区の境目が移動し（原子は移動しない）、
やがて全体が飽和まで磁化される。
→ 外部磁場をゼロにしても、磁化は完全には
なくならない（残留磁化）。
→ 磁化をゼロにするには、逆方向の磁場を
かけなくてはならない（保磁力）。
・外部磁場の強さと向きに対する磁化を表わした曲線
を磁化曲線という（右図）。曲線の形によって大まかに
強磁性の「硬さ」の分類をすることがある。
軟磁性（右図(a)、飽和磁化大、保磁力小）
→ 磁気ヘッドとして応用。
硬磁性（右図(c)、残留磁化と保磁力が大）
→ 永久磁石として応用。
半硬磁性（右図(b)、残留磁化、保磁力は中間）
→ 磁気記録媒体として応用。
10-4 強磁性無機固体
☆ 主として鉄の酸化物を主成分とする物質が広く用いられている。ここでは軟磁性体～半硬磁性体と
して重要な「スピネル型フェライト」を取り上げる。ちなみに、スピネルフェライトを発見し、工業的応用を切り開いたのは日本人（加藤与五郎、武井武という東工大電気化学教室の教授）であり、
TDKという会社名は東京、電気、化学の頭文字をとったもの）
例：Fe3O4（通称マグネタイト。スピネル型構造。）
スピネル型構造は非常に複雑なので覚える必要はない。
一般にはAB2O4と表わされ、O2－の立方最密充填
構造の4配位サイトの1/8に陽イオンA、6配位
サイトの1/2に陽イオンBが入っている。
マグネタイトの場合、4配位サイトにFe3＋の半分、
6配位サイトにFe3＋の残り半分とFe2＋が入る。
☆ 磁気的性質を考える場合には、磁気モーメントが
互いに反平行な「B - A - B」だけを考えれば良い。
この講義では、マグネタイトと関連化合物の化学組成
と磁気モーメントとの関係を理解すれば良い。
＜マグネタイトの単位式量あたりの磁気モーメントの大きさ＞
（単位式量とはFe3O4、Fe原子3個あたりの意味）＞
考え方：①Fe2＋とFe3＋の磁気モーメントはそれぞれ4μBと5μB。
②B - A - Bのイオンの並びは、Fe2＋ - Fe3＋ - Fe3＋である。
③磁気モーメントは互いに反平行だから、4↑ - 5↓ - 5↑、結局「4↑」となり、磁気モーメ
ントの大きさは「4μB」と予想される。実測値は4.1μB。
④磁気モーメントの大きさは、飽和磁化の大きさと比例する（どれだけたくさん磁化できるか）。
＜マグネタイト関連化合物の磁気モーメントの大きさ＞
(a) NiFe2O4（通称ニッケルフェライト）、Niは6配位サイトに入る（陽イオンB）。従って、B - A - B
の並びはNi2＋ - Fe3＋ - Fe3＋。Ni2＋の磁気モーメントの大きさは2μBなので、上と同様に考える
と磁気モーメントの大きさは2μBと予想される。実測値2.3μB。
(b) MnFe2O4（通称マンガンフェライト）、Mnは4配位サイトに入る（陽イオンA）。従ってB - A - B
の並びはFe3＋ - Mn2＋ - Fe3＋。Mn2＋の磁気モーメントの大きさは5μBなので、上と同様に考える
と磁気モーメントの大きさは5μBとなる。実測値4.8μB。
(c) Mn0.6Zn0.4Fe2O4（通称マンガンジンクフェライト）、MnもZnも4配位サイトに入る（陽イオンA）。
ところでZn2＋の磁気モーメントはゼロだから、陽イオンAの平均磁気モーメントは5.0×0.6=3.0
μB。すると、5↑ - 3↓ - 5↑となり、磁気モーメントの大きさは7μBと予想される。実測値6.8
μB。これがスピネル型フェライトで達成できる最大値。（Znをこれ以上増やしすぎると、交換相互作
用の様式が変化して、磁気モーメントが減ってしまう。詳細は省略）
☆ 前ページに記したように、磁性体はその用途によって飽和磁化（≒磁気モーメントの大きさ）、残留磁化、保磁力などが最適になるように組成設計される。磁気モーメントが小さいからといって工業的意味
が小さいというわけではない。一見磁性体と化学とは無関係に思えるかもしれないが、金属イオンの種類と組成比、それらの結晶構造中の位置などを理解することによって、様々な特性を持つ磁性体を設計し、作り上げることが可能になる。このような知識や作製操作は化学以外のなにものでもない。