磁気飽和

一部の磁性材料に見られる磁気飽和（じきほうわ、）とは、印加される外部磁界 H を増加させても材料の磁化をそれ以上増加させることができなくなった状態を指す。この状態では、全磁束密度 B はほぼ横ばいになる。（ただし、常磁性により磁化は磁界とともに極めてゆっくりと増加し続ける。）磁気飽和は、鉄、ニッケル、コバルト、およびそれらの合金などの強磁性およびフェリ磁性材料の特徴である。強磁性材料の種類によって、磁気飽和レベルは異なる。

 解説 

磁気飽和は、物質の「磁化曲線」（BH 曲線またはヒステリシス曲線とも呼ばれる）において、曲線が右側に曲がる様子として最も明確に確認できる（右のグラフを参照）。H 磁界が増加するにつれて、B 磁界はその物質の磁気飽和レベルである最大値に漸近的に近づく。厳密には、磁気飽和後も B 磁界は増加し続けるが、その増加率は常磁性によるものであり、磁気飽和前の強磁性による増加率よりも数桁小さい。

磁化力 H と磁界（磁束密度） B の関係は、透磁率  または比透磁率  （ここで  は真空の透磁率）として表すこともできる。強磁性材料の透磁率は一定ではなく、H に依存する。飽和性の材料では、比透磁率は H とともに増加して最大値に達し、磁気飽和に近づくにつれて減少して1に近づいていく。

材料によって磁気飽和レベルは異なる。例えば、変圧器に使用される高透磁率の鉄合金は 1.6–2.2テスラ (T) で磁気飽和に達するが、 フェライトは 0.2–0.5T で飽和する。 一部のアモルファス金属合金は 1.2–1.3T で飽和する。 ミューメタルは約 0.8T で飽和する。


 原理 

鉄のような強磁性材料は、磁区と呼ばれる微視的な領域で構成されている。これらは、磁化の方向を変えることができる小さな永久磁石のように振る舞う。外部磁界が加えられる前は、磁区の磁界はランダムな方向を向いており、互いに打ち消し合っているため、正味の外部磁界は無視できるほど小さい。外部磁化力 H が加えられると、それが材料に浸透して磁区を一列に並べる。これにより、個々の微小な磁界が回転して外部磁界と平行になり、それらが合わさって材料から広がる大きな磁界 B が作られる。これが磁化である。外部磁界 H が強いほど磁区の整列が進み、磁束密度 B は高くなる。最終的に、ある強さの外部磁界において、磁壁が移動できる限界まで移動し、結晶構造が許す限り磁区が整列した状態になる。これ以上外部磁界を増加させても磁区構造に変化はほとんど生じなくなる。このとき磁化はほぼ一定に保たれ、磁気飽和したと言われる。 飽和時の磁区構造は温度に依存する。

 影響と用途 
磁気飽和は、強磁性鉄心を用いた電磁石や変圧器で達成可能な最大磁界を約 2 T に制限しており、これが鉄心の最小サイズを規定する実用的な限界となっている。高出力のモータ、発電機、および電力用変圧器が物理的に巨大である理由の一つはこれである。高出力の発生に必要な大量の磁束を伝導させるためには、大きな磁気コアが必要となる。航空機用の変圧器や電気モータのように、鉄心の重量を最小限に抑える必要がある用途では、しばしばパーメンジュールのような高飽和合金が使用される。

電子回路において、強磁性鉄心を持つ変圧器やインダクタは、そこを流れる電流が鉄心材料を磁気飽和させるほど大きくなると非線形に動作する。これは、駆動電流の変化に伴ってインダクタンスやその他の特性が変化することを意味する。線形回路では、これは通常、理想的な挙動からの好ましくない逸脱とみなされる。交流（AC）信号が印加される場合、この非線形性は高調波や歪みの原因となる。これを防ぐために、鉄心インダクタに印加する信号レベルは、磁気飽和しないように制限されなければならない。その影響を軽減するために、一部の種類の変圧器コアには空隙（エアギャップ）が設けられる。 多くのインダクタや変圧器の仕様書には、磁気コアを飽和させるのに必要な巻線電流である「飽和電流」がメーカーによって記載されている。

一方で、磁気飽和は一部の電子機器で積極的に利用されている。アーク溶接に使用される「可飽和鉄心変圧器」や、電圧レギュレータとして機能する共振変圧器では、電流を制限するために磁気飽和が利用される。一次電流がある値を超えると鉄心が磁気飽和領域に入り、二次電流のそれ以上の増加を制限する。より高度な応用として、「」や「磁気増幅器」では、別の巻線に流す直流電流を用いてインダクタのインピーダンスを制御する。制御巻線の電流を変化させることで飽和曲線上の動作点を上下に移動させ、インダクタを流れる交流電流を制御する。これらは調光可能な蛍光灯のや電力制御システムで使用されている。

飽和はフラックス・ゲート磁力計やフラックス・ゲート・コンパスでも利用されている。

一部のオーディオ用途では、オーディオ信号にあえて歪みを加えるために、可飽和変圧器やインダクタが意図的に使用される。磁気飽和は奇数次の高調波を発生させ、通常、低中周波数域に第3および第5歪みをもたらす。

 関連項目 

 磁気抵抗
 パーメンジュール

 参考文献