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反磁性(はんじせい、Diamagnetism)とは、磁場をかけたとき、物質が磁場の逆向きに磁化され(=負の磁化率)、磁場とその勾配の積に比例する力が、磁石に反発する方向に生ずる磁性のことである

磁場において生じる力は強磁性体は磁場勾配のみに比例する。そのため、磁場の大きさだけを変えて実験すると、反磁性体は磁場の二乗に比例した力が生じるが、強磁性体は磁場に比例した力しか生じない。

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反磁性体は自発磁化をもたず、磁場をかけた場合にのみ反磁性の性質が表れる。反磁性は、1778年にバーグマン (S. J. Bergman) によって発見され、その後、1845年にファラデーがその性質を「反磁性」と名づけた。

原子中の対になった電子(内殻電子を含む)が必ず弱い反磁性を生み出すため、実はあらゆる物質が反磁性を持っている。しかし、反磁性は非常に弱いため、強磁性や常磁性といったスピンによる磁性を持つ物質では隠れて目立たない。つまり、差し引いた結果の磁性として反磁性があらわれている物質のことを反磁性体と呼ぶに過ぎない。

このように、ほとんどの物質において反磁性は非常に弱いが、超伝導体は例外的に強い反磁性を持つ(後述)。なお、標準状態において最も強い反磁性をもつ物質はビスマスである。

◆ 歴史

1778年、バーグマン (S. J. Bergman) がビスマスとアンチモンが磁場に反発することを発見した。

1845年、ファラデーはすべての物質は本来、印加磁場に対して何らかの反磁性的な反応をすると考え、「反磁性」という用語を作った。

1895年、ジョゼフ・ラーモアは反磁性を古典的に説明した(ラーモア反磁性)。

1911年、ニールス・ボーアは反磁性の古典的な説明が不可能であることを証明した(ボーア=ファン・リューエンの定理)。

1933年、マイスナーは超伝導状態の物質は、非常に強い反磁性を有することを発見した。この現象はマイスナー効果として知られている。

◆ 反磁性の効果

◇ 反発

物質の持つ反磁性による効果として、反磁性体に磁石などを近づけたとき反発する現象がある。これは、蛇口から細く静かに出した水に強力な磁石を近づけると、磁石を避けるように水が曲がるという実験により確認することができる。この振る舞いは、弱い二つの磁石の同極同士を近づけたときと似ている。しかし反磁性を持つ物質に現れる反発力は近づける磁石の極性によらず、どちらの極にも反発するという点で決定的に異なっている。

このような違いはなぜ現れるのかと言うと、反磁性という性質が、外部磁場の影響により、物質自体が周りの磁場を打ち消す方向の極性の磁石になるという性質であるからである。このようにして現れた物質の磁力は、外部磁場が存在すると言うこと自体に由来しているため外部磁場の消滅と共に消滅する。また、反磁性体に強い磁場を印加しても、その反磁性体が(強磁性体のように)自発磁化を持つことはない。

◇ 浮上

反磁性による反発力を利用して、非常に強い磁場をかけると、反磁性体を磁気浮上させることができる。例えば実験室などで15〜20T程度の磁場を発生させ物質にかけると、水を多く含んだりんごや卵、生物などを浮かすことができる。また、反磁性の強い熱分解カーボンやビスマスなどは、磁力の強いネオジム磁石を用いた室温実験でも十分浮上させることができる。

◆ 反磁性の強さ

!物質名!!χ_m=K_m-1×10^-5

|-

|ビスマス

| -16.6

|-

|炭素
(ダイヤモンド)

| -2.1

|-

|炭素
(グラファイト)

| -1.6

|-

|銅

| -1.0

|-

|鉛

| -1.8

|-

|水銀

| -2.9

|-

|銀

| -2.6

|-

|水

| -0.91

| -->

反磁性による力は一般的に小さいため、本来反磁性体であるはずの物質が、物理を専門としない人に非磁性であると誤解されている場合がある。例えば反磁性の性質を示す代表的な物質として水や銅、木などがある。また、石油やプラスチックのような大半の有機物も反磁性を示す。さらに水銀や金、ビスマスのように内殻電子の多い重い金属にも反磁性を示すものが少なくないが、これらは非磁性であるとみなされていることが多い。しかし普段は反磁性体と意識しないような物質についても、非常に強い外部磁場のもとではその反磁性が強くあらわれる(反磁性の効果を参照)。なお、物質の反磁性を測定するとき、僅かな強磁性の不純物を含んでいただけで全く違う結果になることがある。これは、強磁性の効果の方が反磁性よりも桁違いに大きいからである。

反磁性体は1よりも小さい透磁率と、0よりも小さい磁化率を有する。よって磁場に反発するが、反磁性は非常に弱い性質のため、日々の生活で確認することはできない。例えば、水の磁化率はχ_v = -9.05×10^-6である。最も強い反磁性を有する物質はビスマスであり、その磁化率はχ_v = -1.66×10^-4である。また、熱分解グラファイト(熱分解黒鉛)は一次元的なχ_v = -4.00×10^-4という磁化率を有するという報告がある。しかしこれらの強い反磁性体においても、その磁化率は常磁性体や強磁性体の磁化率に比較すると非常に小さいオーダーである。

超伝導体はその内部から完全に磁場を排除する(マイスナー効果)ため、完全反磁性体 (χ_v = -1) と考えられている。

◆ 超伝導体の完全反磁性

例外的に強い反磁性を持つのが超伝導体である。超伝導体は第一種超伝導体と第二種超伝導体にわけられるが、このうち第一種超伝導体の内部には磁束が侵入できない(マイスナー効果)。すなわち第一種超伝導体の内部では完全に磁場が打ち消されており、磁化率がちょうど-1である。このような性質を完全反磁性という。

第二種超伝導体は強力な磁石の上に静止して浮上する。このとき、第二種超伝導体は完全反磁性(マイスナー効果)の性質により浮力を得て、更に第二種超伝導体のピン止め効果によって静止力を得ている。

◆ 反磁性の原因

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