キュリーの法則とは?
キュリーの法則は、物理学者ピエール・キュリーにちなんで名付けられた法則で、常磁性体が外部磁場にどう反応するかを表します。この法則によれば、常磁性体の磁化(M)は加えた磁束密度(B)に比例し、絶対温度(T)に反比例します。つまり、物質を加熱すると磁化は弱くなり、磁場を強めると磁化は大きくなるということです。この法則は、高温または弱い磁場の条件下にある常磁性物質でよく成り立ちます。
この計算ツールの使い方
次の3つの値を入力します。物質固有の値であるキュリー定数 C、テスラ単位の磁束密度 B、そしてケルビン単位の絶対温度 Tです。これらを入力すると、磁化 M が算出されます。温度はケルビンで入力し(K = ℃ + 273.15)、必ず 0 より大きい値にしてください。温度が 0 だと 0 での割り算となり、計算が定義できなくなるためです。
計算式の解説
関係式はシンプルに$$M = \frac{\text{C} \cdot \text{B (T)}}{\text{T (K)}}$$です。キュリー定数 C は、物質を構成する原子の密度と磁気モーメントを反映しています。磁束密度 B を掛けると磁気双極子の向きがそろいやすくなり、温度 T で割ることで、双極子の向きをばらばらにする熱運動の効果が表現されます。磁場による整列と、熱による乱れというせめぎ合いこそが、温度に反比例するという特性を生み出しているのです。
計算例
ある常磁性試料のキュリー定数が \(C = 1\ \text{K}\cdot\text{A/(m}\cdot\text{T)}\)、磁束密度 \(B = 0.5\ \text{T}\) の中に置かれ、温度 \(T = 300\ \text{K}\) に保たれているとします。このとき $$M = \frac{1 \times 0.5}{300} = 0.0016667\ \text{A/m}$$ となります。もしこの試料を 150 K まで冷却すると、磁化は約 0.0033333 A/m へと2倍になります。
よくある質問
キュリーの法則はすべての物質に当てはまりますか? いいえ。常磁性体に適用される法則です。強磁性体はキュリー=ワイスの法則に従い、臨界温度であるキュリー温度を持ちます。
なぜ温度はケルビンでなければならないのですか? キュリーの法則は絶対温度を用いるため、値は絶対零度を基準として測る必要があります。摂氏(℃)で計算すると誤った結果になります。
温度が上がるとどうなりますか? 熱運動が磁気双極子の整列を次第に乱すため、磁化は小さくなります。