磁石に鉄がつくという性質を知っていても、温度が変わったときまで同じ強さだとは限りません。磁石や磁性材料の性質は温度の影響を受けます。ただし、「温めたら弱くなる」という一言だけでも不十分です。材料による違いと、温めている最中の値、元の温度へ戻した後の値を分けて読む必要があります。
この記事では、加熱の実験を家庭で行うのではなく、与えられた測定記録を使います。磁石を火にかけたり、製品を分解して温めたりする手順ではありません。温度を変える教材の図を見たときに、どの比較なら何がいえるかを整理していきましょう。
鉄が溶ける前にも、磁気の性質は変わる
磁石の働きは、材料内部の磁気の状態に関係しています。材料がまだ固体であっても、温度によってその状態は変化します。「固体の形が残っているから、磁気も変わらない」という考え方はできません。形の変化と磁気の変化は、別の観察項目です。
強磁性などの性質が失われる境目の温度は、キュリー温度と呼ばれます。これは物質が溶ける融点の別名ではありません。また、どの磁性材料も同じ温度で変わるわけではありません。材料名が異なる二つの装置を、温度の数字だけで同じ状態と判断しないようにします。
ここで「磁気が完全に消えて、どんな磁場にも全く反応しない」とまで広げる必要はありません。強い磁石としての性質が変わることを扱っています。細かな専門用語を答える問題でなければ、資料に示された吸着や測定値の変化を、条件付きで読み取ることが大切です。
元へ戻ったかは、元の温度で比べる
温めている間に測定値が小さくなったとしても、それだけで永久に弱くなったとはいえません。冷まして元の温度に戻すと、値が元へ近づく場合があります。一方で、元の温度へ戻しても、以前と同じ磁石の状態にならない場合もあります。使われた材料や加えた温度などによって違います。
この違いを見るには、加熱前、加熱中、冷却後という三つの記録が役立ちます。加熱前と加熱中だけの二枚の写真では、冷却後にどうなるかは写っていません。読解では、写真にない三枚目を自分で想像して補わないことが重要です。
例題1：二つの材料で、冷却後が違う
架空の測定で、同じ位置の磁束密度を比較しました。材料Aは基準温度で10mT、温めた間は8mT、基準温度へ戻すと10mTでした。材料Bは順に10mT、6mT、7mTでした。測定位置や装置の条件はそろっているとします。冷却後の値について、AとBの違いを説明してください。
答え・解説： Aは、この測定では基準温度へ戻すと値も元へ戻りました。Bは7mTで、加熱前の10mTには戻っていません。Bの冷却後の値は加熱前の70％で、減少分は30％です。加熱中の6mTだけを使って40％減と答えると、聞かれた時点が違います。
この結果から、AとBの正式な材料名やキュリー温度まで決めることはできません。表は温度変化の前後を比較したもので、境目の温度を細かく調べたデータではないからです。値の差を求める問題と、材料を同定する問題を分けます。
例題2：クリップが減ったら、温度のせい？
加熱前には磁石をクリップへ直接近づけ、冷却後には厚い袋越しに近づけたところ、持ち上がるクリップの数が減りました。この比較だけで、加熱によって磁石の性質が変わったといえますか。比べ直すなら、何をそろえる必要があるでしょうか。
答え・解説： この比較だけでは決められません。袋が入ったことで磁石とクリップの距離も変わっているからです。少なくとも同じ温度、同じ距離、同じクリップと置き方で比べ直す必要があります。加熱の前後で違ったものが温度の履歴だけになるようにします。
クリップの数は観察しやすい指標ですが、その数が磁束密度の値へ一対一に対応するとは限りません。接し方やクリップどうしのつながり方にも影響されます。例題1のmTという測定値と、例題2の個数を、同じ単位のように混ぜないでください。
使用できる温度と、キュリー温度は同じではない
製品に書かれた使用温度の範囲は、その温度までなら目的の性能などを満たせるかという条件です。キュリー温度だけを見て、それ以下ならどんな使い方でも問題ないと判断することはできません。より低い温度で性能が変わったり、部品全体の別の材料が影響を受けたりするからです。
同様に、温めて吸着しなくなったものを冷ませば、必ず以前と同じ向き・強さの永久磁石になるわけではありません。材料が磁石になりうる性質をもつことと、全体が実際に特定の向きに磁化していることは区別します。熱を加えた履歴が残るかどうかを、測定結果から確かめる必要があります。
この区別は鉄の磁化と、磁石を離した後で整理できます。引きつけられるものの違いは金属と磁石へ。温度の実験表には「前・途中・後」の見出しを付け、同じ条件に戻してから比較した値かどうかを確認しましょう。