ヒステリシス（履歴現象）の基礎と磁気特性

ヒステリシス（Hysteresis）とは、ある系の状態が、現在加えられている力だけでなく、過去に加わった力に依存して変化する現象である。日本語では履歴現象や履歴効果とも呼ばれる。

ヒステリシスを持つ系では、加える力を最初の状態と同じに戻しても、状態が完全には元に戻らないという特徴がある。このため、系の状態を観測することで過去に加えられた力をある程度推定することが可能であり、一種の「記憶」機能と捉えることもできる。この性質は、磁気を利用した記憶装置をはじめとするさまざまな技術に応用されている。

語源と歴史的背景

「ヒステリシス（Hysteresis）」という語は、古典ギリシア語で「不足」や「不備」を意味する「ὑστέρησις（hysterēsis）」に由来する。この現象は、物理学者のジェームズ・ユーイングによって1890年に定義・命名された。

磁気ヒステリシスと特性曲線

電磁気学における代表的な例として、磁性体に見られる磁気ヒステリシスが挙げられる。磁性体は外部の磁界に置かれることで磁化されるが、磁界を強くしていくと磁化はある一定の値で飽和磁化に達する。

飽和した状態から磁界を弱めていっても磁化は容易には減少しず、磁界をゼロに戻しても磁化が残る（残留磁化）。この磁化を完全にゼロにするためには、逆向きの磁界を加える必要があり、その逆向きの磁界の大きさを保磁力と呼ぶ。磁界を増加させる過程と減少させる過程で異なる経路をたどるため、グラフ上では特徴的なループを描く。これが磁気ヒステリシス曲線である。

磁気ヒステリシス・ループを1回描くごとに、ループの面積に相当するエネルギーが外部から供給され、その一部が熱エネルギーに変換される。これをヒステリシス損と呼ぶ。また、磁性体の温度が高くなると磁化は徐々に低下し、元素組成に応じた特定の温度（キュリー温度）を超えると磁性を失う。