鉄は、なぜ磁石にくっつくの

質問

素朴な疑問です。
鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウムだけが磁石にくっつくと教わりました。
なぜ、これらの金属は磁石にくっつくのですか。
また、他の金属が磁石にくっつかないのはなぜですか。教えてください。
素粒子のスピンなど専門語や数式が入ってもよいですので、できるだけ詳しい解説をお願いします。

回答No.1

l-3-ly · ベストアンサー

このサイトが詳しそうです。

参考URL：

http://www.ne.jp/asahi/shiga/home/Lecture/magnet.htm

お礼

すばやい回答ありがとうございます。
さっそくお薦めのサイトをのぞいてみました。
詳しい上に分かりやすくて感激です。
ありがとうございました。

回答No.2

atom1

こういう問題は、科学のこまい先端技術と違い、科学の大元の基本問題ですから、大学で習う、むつかしい、数学、理論物理、力学計算式などこまい先端知識を知っていても、説明になりません。出来ません。
　こういう質問を、皆さんは、謙遜して必ず、「素朴な質問」といわれます。
　ところがこちらが科学の概念を知っておくために不可欠な大元の科学知識なのです。

こまい枝葉の専門技術、量子技術、理論物理、各種工学、医学、農学、・・・・と分類され数式を考え出す人が現れ、理解と計算とその運用に悩まされるわけです。
　本で言うと、表題に相当し、こまい難しい先端知識は、限りなく分類される項目に相当します。
こまいむつかしいことをたくさん知っていても、科学を総括して見れない場合が多いものです。
　ですから、素朴な知識は大元なので、大事なのです。

　何が磁石にくっついて何がくっつかないかは、実際実験してみると小学生でも誰でも分かります。
　鉄、コバルト、ニッケル、ガドりニウム、磁石、金属・・磁性体、強磁性体・・結晶構造・・という物質名、特徴、性質、動作、・・・は区別するために、限りなくつけていく文字ですから覚え切れません。文字名前や意味なら辞書を探すと分かるでしょう。

　この質問の理解に必要なのは、
●磁石とは何を言った言葉か。
●磁石がくっつく原理、または動作を言い当てた人が居るのではないか。その暗記文（科学知識）は何だろう。
という２点になります。
これ以外は的外れになります。

　★参考---
　科学（物理、化学の総称）は同じ現象を実験して間違いのない、暗記するための説明文を書きとめる、または間違いない説明文を言い当てる、のが仕事の基本です。
　科学とは、これまた大元の基本知識ですが、力の存在や、力の発生源、力で派生する現象を探り、これらについて暗記説明文を作り、物づくりの技術に応用したり、病気の治療（体内分子の結合・分解の化学反応はすべて力による）に応用しているものです。
　ですから、後進国でもすぐ、量産できてしまうわけです。
　まえおきが長くなりました。

　必要科学知識（暗記文の知識）を順に並べていきます。
　●磁石とは、人類が、山中の岩石から互いにくっつきあう石を見つけました。その後、砂鉄、鉄と名づける物をよく吸着することも分かりました。★この石を磁石と名づけました。---歴史的経過でまだ科学知識でありません。
　●電流の単位名アンペアになっているアンペール（フランス語読み）の当時、電線電流が鉄で作られた方位磁石（コンパス）を動かすことは、すでにエルステッド教授によって発見されていました。
　★また、コンパスが有った事でも考えられるように、鉄が作られていて磁石に鉄が吸着されることは知っていたと考えます。

　★電流をコイル状に流すと磁石と同じ作用をすることも分かっていたようです。
（詳しい記述を知りませんし、見たこともありませんが、記事により推測されます）。

　アンペールはこれら上記の★印事項を前提にしたと思われるのは、
　以前読んだ著書によると、
★アンペールはこの時すでに鉄の磁石の中では、たくさん円回転した電流が存在していると預言している様な事を言っている。
と記している著書から私が考えるのです。
　「磁石と同じ鉄を吸着するコイルを流れる電流を、真上から見た様子は、円回転している電流になります」。

●アンペールは、磁石の中にはミクロの円回転した無数の電流が存在し、その発生する磁力線が強力な磁石になっていると、イメージしていたと知られています。すれがそのまま現在の磁石の科学知識（原理）になっています。

総合して現在
　●具体的には、鉄の中で、－電気の電子がスピンして電流（コイルの電流を想定）になり、これが同方向に揃っていて、それによって放出される★磁力線（次に説明）が★同方向に揃って放出されているために、磁力線の力で、はなれた位置にある鉄材や砂鉄を吸引したり反発しているのが磁石の磁力です。

これが、磁石の磁力の基本知識です。また結論です。

　●磁力線とは、文字どおり、磁力によって、磁力で吸引されたり反発される物質、例えば小さな磁石をぶら下げて、磁石の透明な力で押し動かされる通りに線を引いた、力が及んでいる道筋の線を文字通り磁力線と言います。
　あるいは、吸いつけられるとおりに描いた力が及ん道筋の線を言います。

　●吸着と反発の理屈---
今２個のＮ極Ｓ極を備えた２本の５ｃｍほどの長さの棒磁石を５ｃｍほど離して同じ向きに縦に平行に並べた場合と、反対向きに縦に並べた２通りの図をイメージしてください。
　図面を書けないので、説明がくどくなります。

　磁力線というの力の存在（ファラデーの発想）をイメージして説明します。
　磁力線は透明ですが、脳に描いて行います。

　１）●反対向きの磁力線が重なると力は消しあい、押し合う力を表示する力の存在を示す磁力線は消えてなくなります。自然の事実から。

　２）●ほかの磁石から放出された同方向の磁力線同士は、磁力線は弾力を持ったゴムのように働き反発して跳ね除けて、重ならないという観測事実からの科学知識があります。
　この原理を応用したのが、磁気浮上列車です。

　３）●１個の磁石から出る磁力線同士は絶対に交差ません。自然の事実から。

　４）●磁力線はＮ極から出て、ぐるっと外側を回ってＳ極に戻ります。右半分は右外を回り、左半分は左外側を回ってＳ極に戻ります。

　５）●最後に大切な「事実から想定した科学的知識」は、力の分布を表す磁力線は広がらず、最短距離をとって密集して落ち着こうと、縮まろうとする強い力を持っているのです。ちょっとむつかしいエネルギーの知識。

以上５つの科学的基本知識によって次のようになります。

反発力
　★２本の棒磁石の間の空間では、左側棒磁石から放出される下向きの磁力線と、右側棒磁石から放出される下向きの磁力線は跳ね除けあい、２本の棒磁石は、遠くに飛びます。　磁気浮上列車の原理になります。

吸引力
　★反対向きに並べた棒磁石は、磁石同士の間の空間
では磁力線は下向きと上向きの反対になりますから、打ち消しあって消え、外側の磁力線がつながった強力な輪になって縮まる力で締め付けられ接近し、ＮとＳがくっついた状態になる。
という無理したような理解しかありません。
こういう説明はここしか聞かれないはずです。
この方法は、棒磁石を縦に並べても同様、磁力線で理解できます。

　●なぜ鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウムだけが磁石にくっつくか。
　これは、以上説明した科学知識が磁力の吸引反発の基本原理なのですから。物質名に関係なく、計算ではありませんが、この基本原理逆算して当てはめるだけです。
　金属の構造は、原子核と回りを回る電子で出来ていて、電子は自転（スピン）していることは、共通しています。
　（現実的技術的には、金属の結晶構造が関わって難しくなり、あなたの質問とは別になります。）

★参考---磁石は磁鉄鉱といって鉄から発見が始まりましたが、知ってみたら、一覧表で鉄、コバルト、ニッケルは隣り合っていて鉄から出来たと考えられ、性質がそっくりなのです。

★質問の回答は、外部からの磁石の磁力線の力で、鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウム内でばらばらにスピンしている電子の磁力線のいくつかが、外部磁石の磁力線方向に向き直って揃ったから（量は金属ごとに違うでしょう。）磁力線が１体になってくっついた。
あるいは、スピンが揃って磁石の磁力線の方向に磁気を帯びたから（磁気誘導と名づけています）、磁石のＮ極（Ｓ極）と金属に誘導したＳ極（Ｎ極）がくっついた。と理解します。
　磁気誘導の性質があるかないか、強いかよわいか、磁力線の影響が去るとすぐ乱雑方向に戻って磁気が消えてしまうか、といった性質に応じて、永久磁石、強磁性体・・その他様々な名前をつけます。専門に入ると覚え切れませんよ。

　科学の大元の基本、原理、法則には通常数式は入りません。入っても簡単です。
　難しい数式が入るのは、基本からこまい枝葉に入り、先の専門部分で理論や技術的設計製造などの計算部分です。

　参考---電磁石のようにコイルで磁力を作ると分かるように,磁力線はコイルの中を通ってつながっていて、どこがＮ極だかＳ極だか分かりません。こちらの記憶方法が磁気について多く役に立ちます。

お礼

ごていねいな回答ありがとうございました。
私の何気ない疑問に、こんなに詳しく解説してもらって感謝いたします。