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磁石・磁気の用語辞典(用語解説)
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【交換相互作用】
交換相互作用(Exchange Interaction)
「Fe,Co,Niなどに生じる強磁性体特有の原子レベルの磁気作用のことで、原子間の電子のスピン方向が揃うことにより自ら磁化される要因である。」
物質の中には、Fe、Co、Niのように外部磁場を印加しなくても磁気モーメントの方向をそろえ自発磁化(自発磁気分極)を発生することができるものがある。このような物質を強磁性体と呼び、その機構を解明したのがワイスである。ワイスは、強磁性体の内部に分子磁場という磁場を仮定し、この磁場によって磁気モーメントが揃って強磁性が発生すると説明した。この分子磁場を生み出すのが交換相互作用である。
隣接する原子間には相互作用が働いているが、そのひとつは原子核同士や電子同士では斥力、原子核と電子では引力が働くクーロン相互作用である。もうひとつが交換相互作用と呼ばれる相互作用である。すなわち原子が近づいて結合してくると電子軌道が重なり合うが、2つの電子のスピンの向きが反対である場合には2つの電子は同じ軌道を占めることができるようになる。物質によってはスピンを反平行よりも平行にして軌道を交換した方がエネルギーを低くできるものがある。そのエネルギーは交換エネルギーと呼ばれ、Fe、Co、Niのような強磁性体では交換エネルギーが最小になる時、2つの原子間のスピン運動が同じ方向であるため、磁気モーメントも平行になる。つまり、これらの強磁性体では交換相互作用により自ら磁化されていることになり、この磁化が自発磁化(自発磁気分極)である。
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