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Jun 12, 2023

なぜ磁石にはN極とS極があるのでしょうか?

La rotazione degli elettroni può aiutare a spiegare perché i magneti hanno poli nord e sud.

電子の回転は、磁石に N 極と S 極がある理由を説明するのに役立つかもしれません。

棒磁石を半分に切っても極は消えません。 それぞれの N 極がもう一方の磁石の S 極に引き付けられる 2 つの磁石が生成され、その逆も同様です。

この基本的な引力特性により、冷蔵庫にパーティーの招待状を置くことから医療画像処理に至るまで、磁石が非常に多くの目的に役立ちます。

しかし、これらの極はどのようにして生じるのでしょうか? なぜ磁石にはN極とS極があるのでしょうか?

フロリダ州タラハシーにある国立高磁場研究所所長のグレッグ・ボビンガー氏は、磁石は「物理学における最も深い謎の一つだ」と語る。 人々は何千年もの間磁石を使用してきましたが、科学者は磁石がどのように機能するかについてまだ新しいことを研究しています。

なぜ磁石に極があるのか​​についての最も基本的な答えは、電子の振る舞いにあります。 磁石を含むすべての物質は原子でできています。 どの原子でも、原子核は 1 つ以上の負に帯電した電子に囲まれています。 これらの電子はそれぞれ、科学者が「スピン」と呼ぶ独自の小さな磁場を生成します。 十分な量の小さな磁場が同じ方向を向いている場合、材料自体が磁性を帯びます。

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電子の「スピン」は抽象的な概念のようなものである、とベービンガー氏は Live Science に語った。 技術的に言えば、電子が回転しているのを見た人は誰もいません。電子は顕微鏡で見るには小さすぎるのです。 しかし、物理学者は電子を測定したため、電子に磁場があることを知っています。 そして、その場が生成される可能性のある 1 つの方法は、電子が回転している場合です。 スピンの方向を反転すると、磁場が反転します。

可能であれば、電子はペアになってスピンが相殺され、原子の正味の磁性がゼロになります。 しかし、鉄などの一部の元素ではそれが起こりません。 電子の数と、それらが原子核の周りにどのように配置されているかということは、各鉄原子が小さな磁場を生成する不対電子を持っていることを意味します。

磁化されていない材料では、これらの個々の磁場は異なるランダムな方向を向いています。 その状態では、それらはほとんど互いに打ち消し合うため、材料は全体的に磁性を持ちません。 しかし、適切な条件下では、小さな原子未満の磁場が同じ方向を向くように整列することができます。 これは、大勢の人々が動き回っているのと、全員が組織されて同じ方向を向いているのとの違いであると考える人もいるかもしれません。 これらの非常に小さな磁場の組み合わせにより、より大きな磁場が生じ、その結果、物質は磁石になります。

冷蔵庫の磁石など、日常生活で使用される磁石の多くは永久磁石として知られています。 これらの材料では、材料内の多くの原子の磁場が、より強力な磁場の中に入れられるなど、外部からの力によって永久に整列します。

多くの場合、より強力な磁場は電気によって生成されます。 磁場は電荷の移動によって生成されるため、電気と磁気は基本的に結びついています。 回転する電子には磁場があるのはこのためです。 しかし、科学者は電気を利用して非常に強力な磁石を作ることもできる、とカリフォルニアのローレンス・バークレー国立研究所の上級科学者パオロ・フェラシン氏は言う。 ワイヤのコイルに十分な電流を流すと、電流が流れている限り持続する非常に強力な磁場が生成されます。 これらの電磁石は物理学研究でよく使用されるとフェラシン氏は Live Science に語った。 磁気共鳴画像法 (MRI) 装置などの医療ツールにも使用されています。

地球にも独自の磁場があり、それがコンパスの針を機能させます。 科学者たちは、磁石の北極を、磁石が自由に回転できる場合に地球の北極を指す端として定義しました。 しかし技術的には、これは、反対の極が引き合うため、地球の北磁極は実際には南磁極であることを意味すると説明しました。

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物理学の慣例では、磁場の線は磁石の N 極から外側に流れ、S 極に向かって閉ループを形成します。

物理学者は、N極とS極の組み合わせが正方形に配置された四重極など、他の磁極の配置も発見しました。 しかし、まだ目標が 1 つだけ見つかっていない、とフェラシン氏は言います。磁気単極子はまだ誰も発見していません。

電子と陽子は電気単極子です。それぞれ、正または負の単一の電荷を持っています。 しかし、電子 (および他の粒子も) には 2 つの磁極があります。 そして、それらは基本的な粒子であるため、それ以上分解することはできません。 粒子の電気的挙動と磁気的挙動のこの違いは、多くの物理学者の興味をそそるものであり、一部の人にとっては、単一の磁極を持つ粒子を見つけることが聖杯となっています。 その発見は、現在私たちが理解している物理法則に疑問を投げかけることになるでしょう。

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ローレル・ハマーズは、科学、医学、環境を専門とするライターです。 現在はオレゴン州に拠点を置いていますが、以前はワシントン DC のサイエンス ニュース誌のスタッフ ライターを務めていました。ローレルはマサチューセッツ州ウィリアムズ大学で生物学の学士号を取得しており、カリフォルニア大学サンタクルーズ校サイエンス コミュニケーション プログラムを卒業しています。

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