74.　磁気と電気を比べると―――磁性体
　
　[授業のねらい]
　電場に置かれた誘電体が分極するように，磁束場に置かれた磁性体は分極します。両者を比較しながら，類似点と相違点を考えます。
　
　[授業の展開]
　≪問１≫　電場に置いた誘電体の分極について復習しなさい。
　真空中で極板が単位面積の平行平板コンデンサーを考えます。これがV0　Vで充電されてQ0　Cの電荷がたまっています。Q0　Cの電荷からは Q0 本の電束線が出ていて電束(線)密度は　D0＝Q0 /1 C/ｍ^2　　単位面積で考えているので，電束密度と電束は同じ D0 で表わされます。
　電場の強さEとの関係は　E0＝D0 /ε0＝V0 /d　(dはコンデンサーの極板間隔)                                                                     
　(1) 電源をつないだままにして，コンデンサーの空間に誘電率  ε＝ε0εrの物質を挿入します。εr　は比透電率です。　　�@
　たまる電荷 Q はεr　倍になって，電束Dもεr 倍になるはずですが，誘体が誘電分極して，そのうちの D0(εr−1) 本を打ち消してしまいます。　　�A
　生き残って電場をつくる電束は，はじめと同じ D0 本で，これがはじめと同じ電場 E0 をつくっています。電圧が変わらないので，電場も変わりません。　  E0＝V0 / d　         　�B
　まとめると，誘電体の誘電分極を P  C / m^2 とすると　D−P＝ε0E0　＝D0　
　D0 は真空の電束，誘電体があるときにはそのすきま(真空部分)の電束で，Pは誘電体中の物質部分の電束です。
　D（＝ε0E0＋P)　は誘電体(全体)の電束です。　�C
　≪問２≫　コンデンサーを電源から切り離したあとで，誘電体を挿入したらどうなりますか。
　(2) 電源を切り離してからコンデンサーの空間に，誘電率　ε＝ε0εr　の物質を挿入します。　　　　　　　　　　　　�@’              
　電荷 Q は Q0  のままなので，電束 D0  も変わりませんが，誘電体が誘電分極してそのうちの　D0（ε0−1)/εr　本を打ち消してしまいます。　　�A’　
　生き残った電束は　D0−P＝D0−D0（εr−1）/εr ＝D0/εr　
これが誘電体中の真空部分に電場 E をつくります。
　ε0E＝D0 /εr　　D0＝ε0εrE＝εE　　電圧が V＝V0 /εrに下がったので，電場も　E＝E0/εr　と弱くなっています。      　�B’
　まとめると，　D0 /εr　これは誘電体中の真空部分の電束で，これが電場をつくります。
　P＝D0（εr−1）/εr　 は誘電体の物質部分の電束　D0（＝ε0E＋P）　は誘電体（全体）の電束　     　�C’
　磁性体の場合にはどうでしょうか。
　磁性体が磁場に置かれたときにも，同じようなことが起きます。この場合にも単位面積で考えます。磁性体は磁気分極M（磁化ともいいます）を起こして，その原子は磁場の向きに配向します。
　ここで磁力線と磁束（線）の違いを明確にしておきます。磁力線はその密度で磁場 H の強さを表し，磁束はその密度で磁束場 B の強さを表します。
真空中では　μ0H＝B　　なので，Hの10^6本（μ0＝1.26×10^(−6）がおよそ B の１本になります。もっとも，この数え方には任意性があります。　
したがって，μ0H は束ねておいて１本と数え，B と同等に扱うことにします。
　磁場H（μ0H＝B0）の真空空間に磁性体を持ち込みます。磁性体は磁場Hで磁化 M をつくります。磁化は磁性体の中の物質部分を通る磁束と考えてよいでしょう。数え方も磁束と同じです。たとえば　μr＝10　　の磁性体では　μ0H＝B0＝1  本（以下，電束，磁束を表す数値は本とする）の磁場 H でM＝9 の磁束をつくります。全磁束 B は  B＝B0＋M＝μ0H＋M＝μH＝μ0μrH＝10　 μ0H は磁性体の中の真空部分を通って，周囲の磁性体の原子を並ばせて９本の「原子磁石」をつくったというわけです。（図p101）　　　　　　
　電気の場合には，誘電体を持ち込んでも（電源から離した場合）電荷は不変なので電束は変化しませんが，その代わりに電場 E は弱くなっています。
　磁気の例にならえば，真空中では電束の１本は電気力線の10^11（ε0＝8.85×10^（−12））相当です。いま，　D0＝ε0 E0＝10　　とします。ここに　　εr＝10  の誘電体を挿入すると，分極 Ｐ を起こして10本の電束のうちの９本を打ち消し，残った１本が電場 E をつくります。分極 Ｐ も電束として扱って，D0−P＝ε0E＝1　　D0＝ε0E＋P＝ε0εr E＝εE　　電場の強さが1/10 になります。電気の場合にはプラスの電極（電荷）からでた電東は，マイナスの電極（電荷）に到達して，コンデンサーの外にでることはありません。
（一部の電束は誘電分極で打ち消される）が，磁気の場合には，配列した磁性体の両端の磁化は打ち消されないので，磁束 B は外を通ってつながることも可能です。
　また，電気の場合には E がなくなると P もなくなりますが，磁気の場合には外部からの磁場 H がなくなっても，磁化 M が残って永久磁石になるということです。しかも，B の一部は磁性体の内部の空間（真空部分）を通って他方の極に到達するので，ここに磁場 H をつくります。磁性体の内部では M とは逆向きの磁場 H ができるというおかしなことが起きます。
　以上のことをまとめると，表のようになります。          (表p102)
　 ≪問３≫　強い永久磁石をつくるには，どのような配慮がいりますか。
　磁化の大きい材料を使うとか，飽和近くまで磁化するとかいうことのほかに，逆磁場μ0H’を少なくするために長い磁石をつくります。また，μ0H’をなくすために，磁性体をリング状にするなどして磁束場の閉回路をつくります。しかし，これでは磁石としての役割を果たさないので，その一部に適当に間隙をつくります。
  ヒステリシス（hysteresis　磁気履歴）曲線をオッシロに描きだすことができます。                                                   (図p103)
　鉄のような強磁性体では，外部磁場 H がなくなっても B が残りますが，変化の途中でも B と H は比例しません。つまり，μが変化するのです。
  H‐Bのグラフをヒステリシス曲線といいます。１サイクルしたときのヒステリシス曲線の面積は，磁性体の単位体積について，磁場がした仕事を表しています。これは試料中に熟となって発散してしまい，履歴損失といいます。
　≪問４≫　変圧器の鉄芯には，どのようなヒステリシス曲線の鉄を選べばよいでしょうか。永久磁石の鉄はどうでしょうか。
　変圧器の鉄芯などには，この面積の小さい材料を選び，永久磁石にはこの面積の大きい材料を選びます。
　≪問５≫　ヒステリシス曲線の縦軸切片，横軸切片はなにを意味しているでしょうか。
　縦軸切片 Y を残留磁化といい，文字どおり外部磁場 H が0になったときの磁化 M を表し，横軸切片 Ｘ を保磁力といい，磁化 M が0になるように逆にかけた外部磁場 H の値を表します。前者は磁石の強さを，後者は磁石のしぶとさ（磁化の失われにくさ）を表わしています。
　
　［まとめ］
1　磁場におかれた物質は分極します。磁気の分極を磁化といいます。
2　外部磁場がなくなっても磁化が残る物質があります。
3　ヒステリシス曲線から，磁性体の性質がわかります。