磁場変換
磁場変換器:テスラ、ガウス、A/m、エルステッド - 磁束密度と磁場の強さの完全ガイド
磁場は、磁石や電流、さらには地球全体を取り巻く目に見えない力です。磁場の単位を理解することは、電気技術者、物理学者、MRI技術者、そして電磁石やモーターを扱うすべての人にとって不可欠です。しかし、ほとんどの人が見落とす重要な違いがあります。それは、根本的に異なる2つの磁気測定値、B-フィールド(磁束密度)とH-フィールド(磁場の強さ)が存在し、それらを変換するには材料の磁気特性を知る必要があるということです。このガイドでは、テスラ、ガウス、A/m、エルステッド、そして磁場測定の背後にある物理学について説明します。
磁場とは?
磁場とは、動く電荷、電流、磁性材料に対する磁気的な影響を記述するベクトル場です。磁場は、動く電荷(電流)や素粒子(電子など)の固有の磁気モーメントによって生成されます。
2つの磁場量
B-フィールド(磁束密度)
動く電荷が実際に受ける磁力を測定します。材料の効果を含みます。単位:テスラ(T)、ガウス(G)、ウェーバー/m²。
式: F = q(v × B)
ここで: F = 力、q = 電荷、v = 速度、B = 磁束密度
H-フィールド(磁場の強さ)
材料に依存せず、磁場を作り出す磁化力を測定します。単位:アンペア/メートル(A/m)、エルステッド(Oe)。
式: H = B/μ₀ - M(真空中:H = B/μ₀)
ここで: μ₀ = 真空の透磁率 = 1.257×10⁻⁶ T·m/A、M = 磁化
真空中または空気中:B = μ₀ × H。磁性材料中:B = μ₀ × μᵣ × H、ここでμᵣは比透磁率です(空気では1、一部の材料では100,000以上!)。
磁場の豆知識
地球の磁場は地表で約25〜65マイクロテスラ(0.25〜0.65ガウス)あり、コンパスの針を動かすのに十分です
冷蔵庫のマグネットは表面で約0.001テスラ(10ガウス)を生成します
MRI装置は1.5〜7テスラを使用し、地球の磁場の最大140,000倍も強力です!
研究室で生成された最も強力な連続磁場は45.5テスラです(フロリダ州立大学)
中性子星は最大1億テスラの磁場を持ち、宇宙で最も強力です
人間の脳は約1〜10ピコテスラの磁場を生成し、MEGスキャンで測定可能です
リニアモーターカーは1〜4テスラの磁場を使用して、時速600km以上で浮上し走行します
1テスラ = 10,000ガウス(SI単位系とCGS単位系の間の定義された関係)
変換式 - 磁場の単位を変換する方法
磁場の変換は2つのカテゴリに分類されます。B-フィールド(磁束密度)の変換は簡単ですが、B-フィールド ↔ H-フィールドの変換には材料の特性が必要です。
B-フィールド(磁束密度)の変換 - テスラ ↔ ガウス
基本単位: テスラ(T) = 1 ウェーバー/m² = 1 kg/(A·s²)
| から | へ | 式 | 例 |
|---|---|---|---|
| T | G | G = T × 10,000 | 0.001 T = 10 G |
| G | T | T = G ÷ 10,000 | 1 G = 0.0001 T |
| T | mT | mT = T × 1,000 | 0.001 T = 1 mT |
| T | µT | µT = T × 1,000,000 | 0.00005 T = 50 µT |
| G | mG | mG = G × 1,000 | 0.5 G = 500 mG |
クイックティップ: 覚えておいてください:1 T = 10,000 G。地球の磁場 ≈ 50 µT = 0.5 G。
実用例: MRIスキャン:1.5 T = 15,000 G。冷蔵庫のマグネット:0.01 T = 100 G。
H-フィールド(磁場の強さ)の変換 - A/m ↔ エルステッド
基本単位: アンペア/メートル(A/m) - 磁化力のSI単位
| から | へ | 式 | 例 |
|---|---|---|---|
| Oe | A/m | A/m = Oe × 79.5775 | 1 Oe = 79.58 A/m |
| A/m | Oe | Oe = A/m ÷ 79.5775 | 1000 A/m = 12.57 Oe |
| kA/m | Oe | Oe = kA/m × 12.566 | 10 kA/m = 125.7 Oe |
クイックティップ: 1エルステッド ≈ 79.58 A/m。電磁石の設計や磁気記録に使用されます。
実用例: ハードディスクの保磁力:200-300 kA/m。電磁石:1000-10000 A/m。
B-フィールド ↔ H-フィールドの変換(真空中のみ)
| から | へ | 式 | 例 |
|---|---|---|---|
| A/m | T | T = A/m × μ₀ = A/m × 1.257×10⁻⁶ | 1000 A/m = 0.001257 T |
| T | A/m | A/m = T ÷ μ₀ = T ÷ 1.257×10⁻⁶ | 0.001 T = 795.8 A/m |
| Oe | G | G ≈ Oe(真空中) | 1 Oe ≈ 1 G(空気中) |
| Oe | T | T = Oe × 0.0001 | 100 Oe = 0.01 T |
材料の式: 材料中:B = μ₀ × μᵣ × H、ここでμᵣ = 比透磁率
主な材料のμᵣの値
| 材料 | μᵣ値 |
|---|---|
| 真空、空気 | 1.0 |
| アルミニウム、銅 | ~1.0 |
| ニッケル | 100-600 |
| 軟鋼 | 200-2,000 |
| ケイ素鋼 | 1,500-7,000 |
| パーマロイ | 8,000-100,000 |
| スーパーマロイ | up to 1,000,000 |
鉄(μᵣ ≈ 2000)では、1000 A/mで2.5 Tが生成され、0.00126 Tではありません!
重要:B-フィールドとH-フィールドの違いを理解する
BとHを混同すると、電磁石の設計、モーターの計算、磁気シールドで壊滅的なエラーを引き起こす可能性があります!
- B-フィールド(テスラ、ガウス)はガウスメーターやホールプローブで測定するものです
- H-フィールド(A/m、エルステッド)はコイルに電流を流して適用するものです
- 空気中では、1 Oe ≈ 1 G、1 A/m = 1.257 µTです(当社の変換器もこれを使用)
- 鉄の中では、同じH-フィールドでも材料の磁化により1000倍強力なB-フィールドが生成されます!
- MRIの仕様では、人体に影響を与えるB-フィールド(テスラ)が使用されます
- 電磁石の設計では、電流が生成するH-フィールド(A/m)が使用されます
各磁場単位の理解
テスラ(T)(B-フィールド)
定義: 磁束密度のSI単位。1 T = 1 ウェーバー/m² = 1 kg/(A·s²)
名称の由来: ニコラ・テスラ(1856-1943)、発明家、電気技術者
用途: MRI装置、研究用磁石、モーターの仕様
一般的な値: 地球:50 µT | 冷蔵庫のマグネット:10 mT | MRI:1.5-7 T
ガウス(G)(B-フィールド)
定義: 磁束密度のCGS単位。1 G = 10⁻⁴ T = 100 µT
名称の由来: カール・フリードリヒ・ガウス(1777-1855)、数学者、物理学者
用途: 古い機器、地球物理学、産業用ガウスメーター
一般的な値: 地球:0.5 G | スピーカーのマグネット:1-2 G | ネオジム磁石:1000-3000 G
アンペア/メートル(A/m)(H-フィールド)
定義: 磁場の強さのSI単位。磁場を生成する単位長さあたりの電流。
用途: 電磁石の設計、コイルの計算、磁性材料の試験
一般的な値: 地球:40 A/m | ソレノイド:1000-10000 A/m | 産業用磁石:100 kA/m
エルステッド(Oe)(H-フィールド)
定義: 磁場の強さのCGS単位。1 Oe = 79.5775 A/m
名称の由来: ハンス・クリスチャン・エルステッド(1777-1851)、電磁気学の発見者
用途: 磁気記録、永久磁石の仕様、ヒステリシス曲線
一般的な値: ハードディスクの保磁力:2000-4000 Oe | 永久磁石:500-2000 Oe
マイクロテスラ(µT)(B-フィールド)
定義: 1テスラの100万分の1。1 µT = 10⁻⁶ T = 0.01 G
用途: 地球物理学、航法、電磁界測定、生体磁気
一般的な値: 地球の磁場:25-65 µT | 脳(MEG):0.00001 µT | 電力線:1-10 µT
ガンマ(γ)(B-フィールド)
定義: 1ナノテスラに等しい。1 γ = 1 nT = 10⁻⁹ T。地球物理学で使用される。
用途: 磁気探査、考古学、鉱物探査
一般的な値: 磁気異常の検出:1-100 γ | 日常的な変動:±30 γ
電磁気学の発見
1820 — ハンス・クリスチャン・エルステッド
電磁気学
講義の実演中、エルステッドは電流が流れるワイヤーの近くでコンパスの針が振れることに気づきました。これが電気と磁気を結びつけた最初の発見でした。彼はその発見をラテン語で発表し、数週間でヨーロッパ中の科学者がその実験を再現しました。
電流が磁場を生成することを証明し、電磁気学の分野を創始しました
1831 — マイケル・ファラデー
電磁誘導
ファラデーは、変化する磁場が電流を生成することを発見しました。コイルの中を磁石が動くと電気が発生する—これが今日のすべての発電機と変圧器の原理です。
発電、変圧器、現代の電力網を可能にしました
1873 — ジェームズ・クラーク・マクスウェル
統一電磁気理論
マクスウェル方程式は、電気、磁気、光を一つの理論に統合しました。彼はB-フィールドとH-フィールドを別個の量として導入し、光が電磁波であることを示しました。
電磁波の存在を予言し、ラジオ、レーダー、無線通信につながりました
1895 — ヘンドリック・ローレンツ
ローレンツ力の法則
磁場と電場の中を動く荷電粒子に働く力、F = q(E + v × B)を記述しました。この式は、モーター、粒子加速器、ブラウン管の仕組みを理解する上で基本となります。
場における粒子の運動、質量分析法、プラズマ物理学の理解の基礎となりました
1908 — ヘイケ・カマリン・オンネス
超伝導
水銀を4.2Kまで冷却すると、電気抵抗が完全に消失することを発見しました。超伝導体は磁場を排除するため(マイスナー効果)、エネルギー損失ゼロの超強力な磁石が可能になります。
MRI装置、リニアモーターカー、10テスラ以上の磁場を生成する粒子加速器用磁石につながりました
1960 — セオドア・マイマン
最初のレーザー
磁気とは直接関係ありませんが、レーザーはファラデー回転やゼーマン効果などの磁気光学効果を通じて、精密な磁場測定を可能にしました。
磁場センシング、光アイソレータ、磁気データストレージに革命をもたらしました
1971 — レイモンド・ダマディアン
MRI医療画像診断
ダマディアンは、がん組織が健康な組織とは異なる磁気緩和時間を持つことを発見しました。これにより、1.5〜7テスラの磁場を使用して放射線なしで詳細な体内スキャンを作成するMRI(磁気共鳴画像法)が開発されました。
医療診断を変革し、軟部組織、脳、臓器の非侵襲的な画像診断を可能にしました
磁場の実社会での応用
医療画像診断と治療
MRIスキャナー
磁場の強さ: 1.5-7テスラ
軟部組織、脳、臓器の詳細な3D画像を作成します
MEG(脳磁図)
磁場の強さ: 1-10ピコテスラ
神経細胞からの微小な磁場を検出して脳活動を測定します
磁気ハイパーサーミア
磁場の強さ: 0.01-0.1テスラ
腫瘍内の磁性ナノ粒子を加熱してがん細胞を死滅させます
TMS(経頭蓋磁気刺激法)
磁場の強さ: 1-2テスラのパルス
磁気パルスで脳の領域を刺激してうつ病を治療します
交通機関
リニアモーターカー
磁場の強さ: 1-4テスラ
時速600km以上で摩擦なく浮上し、走行します
電気モーター
磁場の強さ: 0.5-2テスラ
電気自動車、家電製品、ロボットで電気エネルギーを機械的な動きに変換します
磁気軸受
磁場の強さ: 0.1-1テスラ
高速タービンやフライホイールのための非接触支持
データストレージと電子機器
ハードディスクドライブ
磁場の強さ: 保磁力200-300 kA/m
磁区にデータを保存します。読み取りヘッドは0.1-1 mTの磁場を検出します
磁気抵抗メモリ(MRAM)
磁場の強さ: 10-100 mT
磁気トンネル接合を利用した不揮発性メモリ
クレジットカード
磁場の強さ: 300-400 Oe
口座情報がエンコードされた磁気ストライプ
磁場に関する一般的な誤解と俗説
テスラとガウスは異なるものを測定する
結論: 誤り
両方とも同じもの(B-フィールド/磁束密度)を測定しますが、単位系が違うだけです。テスラはSI単位、ガウスはCGS単位です。1 T = 10,000 G。メートルとフィートのように相互に交換可能です。
A/mとテスラは自由に変換できる
結論: 条件付き
これは真空中/空気中でのみ成り立ちます!磁性材料では、変換は透磁率μᵣに依存します。鉄(μᵣ~2000)では、1000 A/mで2.5 Tが生成され、0.00126 Tではありません。B ↔ Hを変換する際は、常に仮定を明記してください。
磁場は人体に危険である
結論: ほとんど誤り
7テスラまでの静磁場(MRI装置)は安全と見なされています。あなたの体は静磁場に対して透明です。懸念されるのは、非常に速く変化する磁場(誘導電流)や10テスラを超える磁場です。地球の50 µTの磁場は全く無害です。
磁場の「強さ」はテスラを意味する
結論: あいまい
紛らわしい!物理学では、「磁場の強さ」は具体的にH-フィールド(A/m)を指します。しかし、一般的には人々は「強い磁場」と言うと、高いB-フィールド(テスラ)を意味します。常にどちらのフィールドか明確にしてください:B-フィールドかH-フィールドか?
エルステッドとガウスは同じものである
結論: 誤り(ただし近い)
真空中では、数値的に1 Oe ≈ 1 Gですが、測定する量が異なります!エルステッドはH-フィールド(磁化力)を測定し、ガウスはB-フィールド(磁束密度)を測定します。これは力とエネルギーを混同するようなものです。空気中ではたまたま似た数値になりますが、物理的には異なります。
電磁石は永久磁石よりも強力である
結論: 場合による
一般的な電磁石:0.1-2 T。ネオジム磁石:表面磁場1-1.4 T。しかし、超伝導電磁石は20テスラ以上に達することができ、どんな永久磁石よりもはるかに強力です。極端な磁場では電磁石が勝ち、コンパクトさや電力消費がない点では永久磁石が勝ちます。
磁場は物質を透過できない
結論: 誤り
磁場はほとんどの物質を容易に透過します!超伝導体だけが完全にB-フィールドを排除し(マイスナー効果)、高透磁率材料(ミューメタル)は磁力線を迂回させることができます。これが磁気シールドが難しい理由です。電場のように簡単に「遮断」することはできません。
磁場の測定方法
ホール効果センサー
測定範囲: 1 µT~10 T
精度: ±1-5%
測定対象: B-フィールド(テスラ/ガウス)
最も一般的。B-フィールドに比例した電圧を出力する半導体チップ。スマートフォン(コンパス)、ガウスメーター、位置センサーで使用されます。
利点: 安価、小型、静磁場を測定可能
欠点: 温度に敏感、精度が限られる
フラックスゲート磁力計
測定範囲: 0.1 nT~1 mT
精度: ±0.1 nT
測定対象: B-フィールド(テスラ)
磁気コアの飽和を利用して微小な磁場変化を検出します。地球物理学、航法、宇宙ミッションで使用されます。
利点: 非常に高感度で、弱い磁場に最適
欠点: 高磁場は測定不可、高価
SQUID(超伝導量子干渉素子)
測定範囲: 1 fT~1 mT
精度: ±0.001 nT
測定対象: B-フィールド(テスラ)
最も高感度な磁力計。液体ヘリウムによる冷却が必要。MEG脳スキャンや基礎物理学研究で使用されます。
利点: 比類のない感度(フェムトテスラ!)
欠点: 極低温冷却が必要、非常に高価
サーチコイル(誘導コイル)
測定範囲: 10 µT~10 T
精度: ±2-10%
測定対象: B-フィールドの変化(dB/dt)
磁束が変化すると電圧を発生するワイヤーコイル。静磁場は測定できず、交流または動く磁場のみ測定可能。
利点: シンプル、頑丈、高磁場に対応可能
欠点: 変化する磁場のみ測定可能、直流は不可
ロゴスキーコイル
測定範囲: 1 A~1 MA
精度: ±1%
測定対象: 電流(H-フィールドに関連)
電流が生成する磁場を検出して交流電流を測定します。導体に接触せずに巻き付けます。
利点: 非接触、広いダイナミックレンジ
欠点: 交流のみ、磁場を直接測定しない
磁場変換のベストプラクティス
ベストプラクティス
- フィールドの種類を知る:B-フィールド(テスラ、ガウス)とH-フィールド(A/m、エルステッド)は根本的に異なります
- 材料が重要:B↔H変換には透磁率の知識が必要です。確信がある場合にのみ真空を想定してください!
- 適切な接頭辞を使用する:読みやすさのためにmT(ミリテスラ)、µT(マイクロテスラ)、nT(ナノテスラ)
- 1テスラ = 10,000ガウスを覚えておく(SI対CGS変換)
- 真空中:1 A/m ≈ 1.257 µT(μ₀ = 4π×10⁻⁷を掛ける)
- MRIの安全性のため:常にテスラで表記し、ガウスでは表記しない(国際標準)
避けるべき一般的な間違い
- B-フィールドとH-フィールドを混同する:テスラはBを測定し、A/mはHを測定します—全く異なります!
- 材料中でA/mをテスラに変換する:材料の透磁率が必要で、μ₀だけではありません
- 強磁場にガウスを使用する:明確にするためにテスラを使用する(1.5 Tは15,000 Gより明確)
- 地球の磁場が1ガウスだと仮定する:実際には0.25-0.65ガウス(25-65 µT)です
- 方向を忘れる:磁場は大きさと方向を持つベクトルです
- エルステッドとA/mを誤って混ぜる:1 Oe = 79.577 A/m(キリの良い数字ではない!)
よくある質問
テスラとガウスの違いは何ですか?
テスラ(T)はSI単位、ガウス(G)はCGS単位です。1テスラはちょうど10,000ガウスです。テスラは科学技術や医療分野で好まれますが、ガウスは古い文献や一部の産業分野で今も使われています。
A/mを直接テスラに変換できますか?
真空中または空気中でのみ可能です!真空中ではB(テスラ)= μ₀ × H(A/m)、ここでμ₀ = 4π×10⁻⁷ ≈ 1.257×10⁻⁶ T·m/Aです。鉄などの磁性材料では、材料の比透磁率(μᵣ)が必要で、これは1から100,000以上になることもあります。当社の変換器は真空を想定しています。
なぜ磁場には2つの異なる測定値があるのですか?
B-フィールド(磁束密度)は、材料の効果を含め、実際に受ける磁力を測定します。H-フィールド(磁場の強さ)は、材料に依存せず、磁場を作り出す磁化力を測定します。真空中ではB = μ₀Hですが、材料中ではB = μ₀μᵣHとなり、μᵣは大きく異なります。
地球の磁場の強さはどのくらいですか?
地球の磁場は地表で25〜65マイクロテスラ(0.25〜0.65ガウス)です。赤道で最も弱く(〜25 µT)、磁極で最も強くなります(〜65 µT)。これはコンパスの針を動かすのに十分な強さですが、MRI装置の20,000〜280,000分の1の弱さです。
1テスラは強い磁場ですか?
はい!1テスラは地球の磁場の約20,000倍強力です。冷蔵庫のマグネットは約0.001 T(10 G)です。MRI装置は1.5〜7 Tを使用します。研究室で最も強力な磁石は約45 Tに達します。数百万テスラを超えるのは中性子星だけです。
エルステッドとA/mの関係は何ですか?
1エルステッド(Oe)= 1000/(4π) A/m ≈ 79.577 A/mです。エルステッドはH-フィールドのCGS単位、A/mはSI単位です。この変換係数は、アンペアとCGS電磁単位の定義に由来します。
なぜMRI装置はガウスではなくテスラを使うのですか?
国際規格(IEC、FDA)では、医療画像診断にテスラを使用することが義務付けられています。これにより混乱(1.5 T対15,000 G)を避け、SI単位と整合性が取れます。MRIの安全ゾーンはテスラで定義されています(0.5 mT、3 mTのガイドライン)。
磁場は危険ですか?
1 Tを超える静磁場はペースメーカーに干渉したり、強磁性体を引き寄せたりする可能性があります(飛翔物危険)。時間変動磁場は電流を誘導することがあります(神経刺激)。MRIの安全プロトコルは被ばくを厳しく管理しています。地球の磁場や一般的な磁石(<0.01 T)は安全と見なされています。