Magnetismi

Magnetismi on fysiikan ilmiö, jossa kappale vaikuttaa toiseen kappaleeseen veto- tai poistovoimalla. Voimakkaasti magneettisia kappaleita kutsutaan magneeteiksi. Tunnetuimmat magneettiset aineet ovat rauta ja nikkeli sekä näiden seokset. Magneettikenttä vaikuttaa kaikkiin kappaleisiin mutta vaikutuksen voimakkuus vaihtelee huomattavasti.

Magnetismi liittyy läheisesti sähköön ja erityisesti on osa sähkömagneettista vuorovaikutusta. Sähkömagneettinen säteily kuten valo on sähkö- ja magneettikentän värähtelyä.

Magnetismi, sähkö, ja suppea suhteellisuusteoria

Einsteinin suppean suhteellisuusteorian pohjalta sähkön ja magnetismin on havaittu olevan syvällisellä tasolla yhteenkuuluvia. Sekä magnetismi ilman sähköä että sähkö ilman magnetismia ovat ristiriitaisia suppean suhteellisuusteorian kanssa. Tämä johtuu ilmiöistä kuten pituuskontraktio ja aikadilaatio sekä siitä, että magneettinen voima riippuu nopeudesta. Mutta kun sekä sähkö että magnetismi otetaan huomioon samanaikaisesti, saadaan sähkömagnetismiksi kutsuttava teoria, joka on täysin yhdenmukainen suppean suhteellisuusteorian kanssa. Erityisesti ilmiö, joka yhdelle havaitsijalle vaikuttaa puhtaasti sähköiseltä voi vaikuttaa toiselle puhtaasti magneettiselta. Yleisemmin ilmiön jakautuminen sähköiseen ja magneettiseen riippuu viitekoordinaatistosta. Suppea suhteellisuusteoria yhdistää siis sähkön ja magnetismin yhdeksi ilmiöksi, sähkömagnetismiksi, samaan tapaan kuin yleinen suhteellisuusteoria yhdistää ajan ja avaruuden aika-avaruudeksi.

Magneettinen kenttä ja voima

Magnetismia välittää magneettikenttä. Sähkövirta tai magneettinen dipoli synnyttää magneettikentän ja magneettikenttä aiheuttaa kentässä oleviin kappaleisiin voiman. Maxwellin yhtälöt antavat erinomaisen likiarvon näiden kenttien syntymisestä ja käyttäytymisestä. Ne jättävät huomiotta joitakin kvanttisähködynamiikassa huomioonotettavia kvantti-ilmiöitä. Maxwellin yhtälöt yksinkertaistuvat Biotin-Savarni laiksi, kun kyseessä on tasainen sähkövirta. Magneettiset ilmiöt syntyvät siis sähkövaraukseneisteist liikkeestä (esimerkiksi elektronin liikkeestä sähkövirrassa), joissain tapauksissa myös elektronin liikkeestä atomissa tai magneettisten dipolien sisältämien elektronien spinä.

Kun varattu hiukkanen liikkuu magneettikentässä ’'B, siihen vaikuttaa voima F'', joka saadaan ristitulosta:

$\backslash vec\{F\}\; =\; q\; \backslash vec\{v\}\; \backslash times\; \backslash vec\{B\}$

missä $q\backslash ,$ on hiukkasen sähkövaraus, $\backslash vec\{v\}\; \backslash ,$ on hiukkasen nopeusvektori ja $\backslash vec\{B\}\; \backslash ,$ on magneettikenttä.

Koska kyseessä on ristitulo, voima on kohtisuora sekä hiukkasen liikkeeseen että magneettikenttään. Täten magneettinen voima ei tee työtä kappaleeseen työtä. Se voi muuttaa hiukkasen suuntaa mutta ei hidastaa tai nopeuttaa sitä.

Voiman suuruus on

$F\; =\; q\; v\; B\; \backslash sin\backslash theta\backslash ,$

missä $\backslash theta\; \backslash ,$ on vektoreiden $\backslash vec\{v\}\; \backslash ,$ ja $\backslash vec\{B\}\; \backslash ,$ välinen kulma.

Yksinkertainen tapa nopeuden, magneettikentän ja voiman suunnan löytämiseksi on nk. oikean käden sääntö. Siinä peukalo, etusormi ja keskisormi asetetaan osoittamaan kohtisuorasti toisiaan vastaan. Magneettikenttä (B) osoittaa keskisormen suuntaan ja hiukkasen nopeus (v) etusormen suuntaan. Voima (F) osoittaa tällöin peukalon suuntaan, jos hiukkanen on positiivisesti varautunut. Negatiivisesti varautuneen hiukkauksen tapauksessa voima osoittaa vastakkaiseen suuntaan.

Magneettinen dipoli

Tavallinen magneettikentän lähde luonnossa on dipoliamagneetti, jossa on pohjois- ja etelänapa. Napanimitykset pohjaavat magneettien käyttöön kompassina. Magneetin etelänapa vetää toisen magneetin pohjoisnapaa puoleensa ja päinvastoin.

Magneettikentässä on energiaa ja fysikaalinen systeemi pyrkii aina matalimmalle mahdolliselle energiatasolle. Tämän vuoksi magneettikenttään asetettu dipolimagneetti pyrkii kääntymään siten, että etelänapa osoittaa ja kentän pohjoisnapaan ja pohjoisnapa kentän etelänapaan. Tällöin kentän kokonaisvoimakkuus ja siihen sitoutunut energia pienenee mahdollisimman pieneksi. Esimerkiksi kaksi samanlaista päällekkäin asetettua sauvamagneettia kääntyvät siten, että niiden navat osoittavat erisuuntiin ja kokonaiskenttä on pienempi. Jos halutaan kääntää magneetit osoittamaan samaan suuntaa, täytyy tehdä työtä ja tämä työ varastoituu magneettikenttään. Kokonaiskenttä on silloin kaksi kertaa yhden sauvamagneetin kenttä.

Atomin magneettisuus

Kappaleiden magnetismin aiheuttaa elektronien kahdenlainen liike atomeissa. Ensiksi elektroni kiertää atomiydintä ja tätä voidaan pitää virtasilmukkana, josta seuraa kiertoratamagneettidipolimomentti. Toinen, huomattavasti voimakkaampi magneettisuuden lähde on spininstä aiheutuva spinmagneettidipolimomentti. Kvanttimekaniikan mukaan elektronin liike ytimen ympäri tai elektronin pyöriminen ei ole kuitenkaan liikettä klassisessa mielessä.

Atomin magneettimomentti on kaikkien atomin elektronien magneettimomenttien summa. Koska dipolimagneetit pyrkivät vähentämään kokonaisenergiaa kumoavat atomin elektroniparit toisensa sekä kiertoradan että spinin osalta. Jos atomissa on täysi elektronikuori, magneettimomentit kumoavat toisensa. Mutta jos atomilla on osittain täysiä elektronikuoria ja siten parittomia elektroneja on sillä myös magneettimomenttia, koska elektroneja ei ole sopivaa määrää kumoamaan toisiaan.

Elektronikuorien rakenne siis määrittää atomien magneettimomentin luonteen ja voimakkuuden ja edelleen eri materiaalien magneettisuuden. Seuraavia magneettisuuden muotoja on löydetty:

• Diamagnetismi
  • Superdiamagnetismi
• Paramagnetismi
  • Superparamagnetismi
    • Molekyylimagnetti ()
• Ferromagnetismi
  • Antiferromagnetismi
  • Ferrimagnetismi
  • Metamagnetismi
• Spin glass

Magneetit

Sähkömagneetti

Sähkömagneetti muodostuu magneettisesta materiaalista kuten raudasta tehdystä sydämestä ja sen ympäri kierretystä sähköjohtimesta. Magneetti saadaan päälle ja pois kytkemällä ja pois kytkemällä sähkövirta johtimeen.

Pysyvät ja väliaikaiset magneetit

Pysyvä magneetti säilyttää magneettisuutensa ilman ulkoista magneettikenttää toisin kuin väliaikainen magneetti, joka on magneettinen vain ulkoisessa magneettikentässä.

Lähteet