材料系物理工学 第１回　2003.10.6

物理システム工学科４年次、月曜２限（プレハブ第２講義室）

佐藤勝昭教員（4号館514号室、内線7120、e-mail: satokats@cc.tuat.ac.jp）

　[月曜振替日：10/13→10/15(水)、11/3→11/6(木)、10/10(学園祭片付け休講)、11/24→11/26(水)]

卒業研究に配慮して、年内に講義を終え、年明けは興味をもった部分の自習を中心にし、テストは、自習した内容を書いてもらうこととします。

アンケートの結果、受講希望者は「基礎重視」ということでした。そのため、当初予定していた「磁性体の応用」は圧縮し、どのように使われているかをその都度紹介する形に改めます。また、「スピンエレクトロニクス」など最先端の話は大学院の講義に回します。

シラバス：本講義で学ぶ内容と範囲を概説します。

第１部　磁性

第１回　2003.10.6(月)　磁気に親しもう

磁石、HDD、MD、モーター、磁場、磁束密度、磁化、磁気モーメントとは、磁化曲線、ヒステリシス、ソフト磁性、ハード磁性

第２回　2003.10.15(水)　磁石をどんどん微細にする

マクロの磁性(cm)→メゾスコピックの磁性(μm)→ミクロの磁性(Å)、環状電流と磁気モーメント、原子の磁気モーメントの起源、磁気モーメントと角運動量、スピンと軌道、フントの規則

第３回　2003.10.20(月) 　鉄はなぜ磁気をおびる？

秩序をもった磁性（強磁性、フェリ磁性、反強磁性）、なぜ自発磁化が生じるか、分子場理論と磁化の温度変化、キュリーワイスの法則、交換相互作用、キュリー温度、絶縁物の磁性と金属の磁性

第４回　2003.10.27(月)　 磁気ヒステリシスはなぜ生じる

方位で異なる磁化曲線（磁気異方性）、磁区、磁壁、磁壁移動、磁化回転、マイクロマグネティズム、なぜ軟質磁性体・硬質磁性体の違いが生じるか、軟質・硬質磁性体の使い道、反強磁性も役に立つ

第５回　2003. 11.6(木) 　 弱い磁性も使いよう

反磁性（強磁界で水が空中に浮かぶ）、常磁性（極低温では酸素が磁石につく）、MRI（核スピンの常磁性共鳴）、EPR（電子スピンの常磁性共鳴でみる半導体の欠陥）

第６回　2003. 11.17(月) 　磁気に付随する効果；MRとMO

磁気抵抗(MR)効果が高密度HDDを支える、磁気光学(MO)効果はMD再生の原理

第２部　超伝導

第７回　2003. 11.26(水) 　超伝導を実感しよう

Pオープンラボで、高温超伝導体YBa₂Cu₃O_7-δを冷却し超伝導になる様子を見るとともに、超伝導とは何かを学ぶ。

第８回　2003.12.1(月)　超伝導はなぜ起きる

超伝導の歴史、超伝導現象とは、マイスナー効果、超伝導の物理（Londonの方程式、BCS理論）

第９回　2003.12.8(月) 超伝導エレクトロニクス

超伝導・常伝導トンネル接合、超伝導・超伝導トンネル接合（ジョセフソン効果）、状態密度、SQUID磁束計

第10回　2003.12.15(月) 高温超伝導体

高温超伝導体(HTSC)発見物語、HTSCの構造と超伝導物性、固有ジョセフソン効果

2004.1.15, 1.19, 1.26, 2.2は講義なし　自習時間とします。

期末テスト：2004.2.16 ２限　自習してきた内容を記述してもらいます。

第１回　磁気に親しもう

身近な磁性

磁石(永久磁石)は何で出来ている？

磁性体の用途

磁気記録、光磁気記録→IT

光アイソレータ→光ファイバ通信

永久磁石→モータ、アクチュエータ

変圧器、インダクター用磁心

コンピュータと磁気記録

コンピュータのプログラムやデータを格納しておくのがハードディスクHDと呼ばれる磁気記録装置である。

画面からプログラムを起動すると、そのプログラムがHDから半導体のメモリに転送される。CPUは、メモリ上の各アドレスに置かれた命令を解読して、プログラムを実行する。

ハードディスクのどこに磁性体が使われているか

ハードディスク分解のサイト紹介

おもしろ分解博物館http://www.gijyutu.com/ooki/bunkai/8inch-HDD/8inch-HDD.htm

桜井式モノ分解教室パート2　http://www2.hamajima.co.jp/~elegance/se-net/jikken/HDD.htm（浜島書店のサイト）

ハードディスク分解絵巻
http://cobweb.tamacc.chuo-u.ac.jp/chitta/works/

ハードディスク媒体

• ディスク媒体は記録用の半硬質磁性体膜を堆積したアルミ円板である。

磁気ヘッドアクチュエータ

• 磁気ヘッドは、ジンバルと呼ばれるヘッドアセンブリに搭載され、ロータリーアクチュエータで駆動される。

磁気ヘッド拡大図

磁気ヘッド

モーターと磁石

直流モーターは、回転子と称する磁石が、固定子と称する電磁石の中に置かれている。磁極の位置をホール素子で検出し、分割された電磁石に流される電流を順次切り替えることにより、磁界の回転を生じ、回転子に運動を与える。

固定子のコイルの磁心には軟質磁性体が使われている。

磁界の定義(1)

電流による定義

単位長さあたりnターンのソレノイドコイルに電流i[A]を流したときにコイル内部に発生する磁界*の強さH[A/m]はH=niであると定義する。

磁界の定義(2)

力による定義
・距離r だけ離れた磁極q₁[Wb] と磁極q₂[Wb]の間に働く力F[N]は、磁気に関するクーロンの法則 F=kq₁q₂/r²で与えられる。kは定数。
磁極q₁がつくる磁界H中に置かれた磁極q₂ [Wb]に働く力F[N]はF=q₂Hで与えられるので、磁界の大きさは H=kq₁/r²で表される。

2つの定義をつなぐ

一方、q₁から磁束が放射状に放出しているとして、半径rの球面を考える。

ガウスの定理により4pr²B=q₁であるからB=q₁/4pr²

磁束密度B[T=Wb/m²]とHを結びつける換算係数m₀を導入するとB=m₀H となる。

するとH=q₁/4pm₀r^2.
となり、これよりクーロンの式の係数kはk=1/4pm₀となる。

従って、クーロンの式はF=q₁q₂/4pm₀r²

SI単位系とcgs-emu単位系

· 磁界Hの単位：SIではA/m、cgsではOe(エルステッド)

· 1[A/m]=4p´10^-3[Oe]=0.0126[Oe]

· 1[Oe]=(4p)^-1´10³[A/m]=79.7[A/m]

· 磁束密度Bの単位：SIではT（テスラ）、cgsではG(ガウス)

· 1[T]=1[Wb/m²]=10000[G]

B=m₀H+M; cgsではB=H+4pM
m₀=4p´10^-7[H/m];
真空中でH=1[A/m]の磁束密度は 4p´10^-7[T]=1.256[mT]
cgsで測ったH=1[Oe]=79.7[A/m];B=100 [(T]=1[G]

磁化M:単位体積[m3]あたりの磁気モーメント[Wb・m]

M=1[T] →M=(10000/4()[emu]=796[emu]

磁界の発生

電磁石

-空心電磁石
ソレノイド
1cmあたり100ターン
1Aの電流を流すと

10000A/m、磁束密度は

4πx10-7x104=12.6mT　
超伝導電磁石
10cmに1000ターン、
100A流すと106A/m;1.26T

-鉄心電磁石
約B=2T程度
水冷コイル

磁界の測定

ガウスメータ
ホール素子で測定

磁極と磁気モーメント

磁石には、N極とS極がある。

磁界中に置かれた磁性体にも磁極が誘起される。磁極は必ず、NSの対で現れる。(単極は見つかっていない)

磁極の大きさをq[Wb]とすると、磁界によってNSの対に働くトルクは-qHdsinq[N・m]=[Wbm][A/m]

必ずNSが対で現れるならm=qrを磁性を扱う基本単位と考えることが出来る。これを磁気モーメントという。単位は[Wbm]

磁気モーメント

一様な磁界H中の磁気モーメントに働くトルクTは

T=qH r sinq=mH sinq

磁気モーメントのもつポテンシャルEは

　　E=∫Tdq= ∫mH sinq dq=1-mHcosq
E=-m・H

磁界（磁場）H、磁束密度B、磁化M

磁界H中に置かれた磁化Mの磁性体が磁束密度は、真空中の磁束密度に磁化による磁束密度を加えたものである。すなわち、B=m₀H+M

磁化

磁性体に磁界を加えたとき、その表面には磁極が生じる。

この磁性体は一時的に磁石のようになるが、そのとき磁性体が磁化されたという。

磁化の定義

ミクロの磁気モーメントの単位体積あたりの総和を磁化という。

K番目の原子の１原子あたりの磁気モーメントをm_kとするとき、磁化Mは式M= Sm_kで定義される。

磁気モーメントの単位はWb×mであるから磁化の単位はWb/m²となる。

磁化曲線

磁性体を磁界中に置き、磁界を増加していくと、磁性体の磁化は増加していき、次第に飽和する。

磁化曲線は磁力計を使って測定する。

VSMブロック図

ソフト磁性

パーマロイ*に磁界を加えると磁化は急に増大しわずか40[A/m](地磁気程度)の磁界で飽和する。

保磁力が10[A/m]と小さいので非常に小さな磁界で磁化反転する。

磁化しやすく、磁界の変化によく追従する磁性をソフト(軟らかい)磁性とよび、このような磁性体を軟質磁性体と称する。(中野パーマロイのHP　http://www.nakano-permalloy.co.jp/j_permalloy_pb.htmlより)

セミハード磁性

物理システム工学実験「磁性」で作製しているY₂BiFe₄GaO₁₂の磁化曲線；膜面に垂直な磁界に対し明瞭なヒステリシス

１つの向きに強い磁界を加えていったん飽和磁化Msに達した後、磁界を取り去っても、残留磁化Mrが残る。

磁化を反転させるには、保磁力Hcより大きな磁界を加えなければならない。

ハード磁性：Co₆₆Cr₁₇Pt₁₇

次世代ハードディスクは垂直磁気記録になるといわれている。垂直媒体としては、CoCrPt系の薄膜が検討されている。