電気的地球科学への招待⑦ー地球磁場

主流の地球科学では地球磁場は核に流れる金属が原因とされます。しかし、溶けた鉄が流れるだけで磁場が発生するなら、製鉄所は大変なことになるでしょう。高炉から銑鉄を取り出しただけで周囲の鉄を引き付けてしまうからです。溶けた鉄が流れただけで磁場は発生しません。磁場の発生には電流あるいは電荷が必要です。電流源が定かではないダイナモ理論は破綻しています。
今回は地球磁場にとどまらず、惑星の磁場の発生について解説していきます。普遍的なメカニズムが磁場の発生にはあります。

磁場はベクトルの合成

最初にもっとも単純な磁場が目に見えるようなマクロな磁場に発達する仕組みを解説します。この磁場の仕組みを知ることで、自然界に現れる現象の多くを理解することが出来ます。
一般に磁場の発生は電流で説明されることが多いのですが、もっとも基本的な磁場の発生は荷電粒子です。荷電粒子とは電荷をもつ基本粒子のことですが、陽子と電子が存在します。イオンも荷電粒子の一形態です。
たとえば、電子に力を加えると磁場が発生します。

この円形磁場は電子自体に対して引き留めようとする力を発生することから、電磁質量ともいいます。銅線内部の電子が移動するときにも磁場は発生します。

銅線に電流が流れると内部を移動する多数の電子から生じる磁場のベクトルが合成され周囲に現れる

銅線に電流が流れる場合を考えます。銅原子は互いに外側の電子を共有する結晶格子を作っています。ところが銅原子の外側にある電子は比較的自由に動き回ることが出来る自由電子と呼ばれます。銅線の両端に電池をつなぐと銅線内部の電子に電界が加えられます。自由電子はいっせいにプラスの方向に移動しますが、この時の速度は秒速数センチと言われます。ところが全部の自由電子が全部同じ方向に移動するのではなく、互いにぶつかったり、不純物に遮られたりします。銅原子核のプラスに引き付けられる場合もあるでしょう。ぶつかったりして減速する電子は、加速する側とは反対向きの磁場を発生させます。しかし、全体で見るとプラスに引かれる電子が多いため、見かけの磁場のベクトルも同一方向に現れます。
銅線に電流を流した場合に現れる磁場は円形磁場です。まだN極とS極が離れていません。銅線をくるくる撒いてコイルにしてみましょう。

コイルにした銅線は1本1本を見るとまだ円形磁場のままですが、隣り合った銅線が生じる円形磁場と同じ方向です。これら円形磁場のベクトルが合成されると、コイルの両端まで磁場が延長され、N極とS極がコイルの両端に現れるわけです。

ここで重要なことは、磁場は1個の荷電粒子から放射されるクーロン力の変化が無数に合成された力であることです。

永久磁石の仕組み

たいくつかもしれませんが、もう少し磁場のベクトルについて説明していきましょう。標準理論では電子が回転すると磁場が生じると説明します。原子を構成する電子の自転ースピンの向きが一定以上揃うと外部に磁場が現われ、これが永久磁石の原因であるといいます。しかし、電子を考えてみるとはたして回転しているかどうか、判別できるでしょうか？　電子の自転によってクーロン力が変化するためには、電子の表面にクーロン力の強弱がある必要があります。つまり電子が分極していないと自転しても磁場は発生しないのです。電子はそれ以上分解できないから素粒子と言われています。自転したとしても、電子の表面は均一なので、磁場は発生しません。
では、原子内部で電子はどのようにスピンしているのでしょうか？　科学史から見た量子力学の間違いでは、軌道電子は原子核の陽子に引き付けられつつ、核内電子に反発してゆるくつながれている状態と説明しました。また、原子核にニュートリノが入射するときに生じるガンマ線の定常波の谷間に落ち込んでいるので軌道電子は飛び飛びの軌道を取っています。

このとき、軌道電子は緩くつながれた状態で周囲からの電磁波の照射を受けます。温度により揺さぶられ、小さな半径で周回転するのです。周回転する電子は磁場を発生します。たとえば、鉄原子の軌道電子は、外部から磁場をかけると軌道電子の一部が一方向に周回転が揃います。磁場を取り去ってもこの周回転の向きは残るため、永久磁石になるわけです。永久磁石のエネルギー源は温度であるのです。
そのため、温度を上げていくとある一定の温度で周回転の向きがバラバラになって、外に出てくる磁場のベクトルがなくなります。永久磁石の磁場が温度の影響を受けるのは、温度ー電磁波による周回転の向きが変わるからです。
標準理論のように、スピンは実際に電子が自転していると考えると妙なことになります。どのようにすれば均一な表面を持つ電子を自転させることができるのか？　均一な電荷が回転しても外に現れる電荷は一定です。これ自体が疑問になります。
中性子が自転すると磁場が発生するのは、中性子は陽子に電子がくっついた状態であるためです。双極子が回転するので磁場が発生します。また、太陽磁場でよく説明される磁場のリコネクションは、荷電粒子のレベルで考えるとありえないことがわかります。