Magnetismi

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Sauvamagneetin magneettikentän "voimaviivat" näkyvät rautajauheen sijoittumisessa paperille

Magnetismi on fysiikan ilmiö, jossa kappale vaikuttaa toiseen kappaleeseen veto- tai poistovoimalla. Magnetismin lajeja on useita, mutta arkipäivässä magnetismilla tarkoitetaan yleensä ferromagnetismia, koska se on ilmiöistä voimakkain. Magneettikentällä on vaikutus kaikkiin kappaleisiin, mutta vaikutuksen voimakkuus vaihtelee huomattavasti. Voimakkaasti magneettisia kappaleita kutsutaan magneeteiksi. Sellaisia voidaan valmistaa ferromagneettisista aineista, joita ovat rauta, nikkeli ja koboltti sekä näiden seokset.

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

Magneettinen kenttä ja voima[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: magneettikenttä

Magneettisen vuorovaikutuksen 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 huomioon otettavia kvantti-ilmiöitä. Maxwellin yhtälöt yksinkertaistuvat Biotin-Savartin laiksi, kun kyseessä on tasainen sähkövirta. Magneettiset ilmiöt syntyvät siis sähkövarauksen liikkeestä (esimerkiksi elektronin liikkeestä sähkövirrassa), joissain tapauksissa myös elektronin liikkeestä atomissa tai magneettisten dipolien sisältämien elektronien spineistä. Vastaavasti liikkuva magneettikenttä saa aikaan sähköä. Sähkön ja magnetismin yhteyteen perustuu sähkömoottorien ja -generaattorien toiminta.

Kun varattu hiukkanen liikkuu magneettikentässä \vec{B}, siihen vaikuttaa voima \vec{F}, joka saadaan ristitulosta:

\vec{F} = q \vec{v} \times \vec{B}

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

Koska kyseessä on ristitulo, voima on kohtisuora sekä hiukkasen liikkeeseen että magneettikenttään. Täten magneettinen voima ei tee työtä kappaleeseen. Se voi muuttaa hiukkasen suuntaa mutta ei hidastaa tai nopeuttaa sitä. Magneettikentässä liikkuvalla hiukkasella on keskeiskiihtyvyyttä. Kiihtyvässä liikkeessä oleva varattu hiukkanen menettää energiaa säteilynä. Ilmiötä hyödynnetään muun muassa synkrotroneissa.

Voiman suuruus on

F = q v B \sin\theta\,

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

Yksinkertainen tapa nopeuden, magneettikentän ja voiman suunnan löytämiseksi on niin kutsuttu 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 hiukkasen tapauksessa voima osoittaa vastakkaiseen suuntaan.

Magneettinen dipoli[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Magneettinen dipoli

Magneettikentän lähde luonnossa on dipolimagneetti, jossa on pohjois- ja etelänapa. Napanimitykset pohjaavat magneettien käyttöön kompassissa. Magneetin etelänapa vetää toisen magneetin pohjoisnapaa puoleensa ja päinvastoin. Magneetin voimakkuutta kuvaa sen magneettinen momentti.

Magneettikentässä on energiaa ja fysikaalinen systeemi pyrkii aina matalimmalle mahdolliselle energiatasolle. Tämän vuoksi magneettikenttään asetettu dipolimagneetti pyrkii kääntymään siten, että etelänapa osoittaa 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 eri suuntiin ja kokonaiskenttä on pienempi. Jos halutaan kääntää magneetit osoittamaan samaan suuntaan, täytyy tehdä työtä ja tämä työ varastoituu magneettikenttään. Kokonaiskenttä on silloin kaksi kertaa yhden sauvamagneetin kenttä.

Atomin magneettisuus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

Atomin magneettimomentti on kaikkien atomin elektronien dipolimomenttien summa. Koska dipolimagneetit pyrkivät vähentämään kokonaisenergiaa, kumoavat atomin elektroniparit toisensa sekä kiertoradan että spinin osalta. Jos atomissa on täysi elektronikuori, magneettimomentit kumoavat toisensa, koska ne osoittavat vastakkaisiin suuntiin ja niitä on parillinen määrä. Jos atomilla on osittain täysiä elektronikuoria ja siten parittomia elektroneja on sillä myös magneettimomenttia, koska elektroneja ei ole sopivaa määrää kumoamaan toisiaan. Mitä enemmän samaan suuntaan osoittavia magneettisia momentteja atomissa on, sitä todennäköisemmin se reagoi voimakkaasti magneettikenttään.

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

Magneetit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sähkömagneetit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Sähkömagneetti

Sähkömagneetti muodostuu ferri- tai ferromagneettisesta materiaalista, kuten raudasta, tehdystä sydämestä ja sen ympäri kierretystä sähköjohtimesta. Magneettikenttä saadaan päälle kytkemällä sähkövirta johtimeen.

Kestomagneetit[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Magneetti

Joitain ferro- ja ferrimagneettisia aineita voidaan käyttää kestomagneetteina. Kestomagneetti säilyttää magneettisuutensa ilman ulkoista magneettikenttää toisin kuin väliaikainen magneetti, joka on voimakkaasti magneettinen vain ulkoisessa magneettikentässä. Kestomagneeteissa käytetään magneettisesti kovia aineita. Magneettisesti kovissa aineissa materiaalin alkeismagneettialueet säilyttävät magnetoitumissuuntansa myös ulkoisen magneettikentän vaikutuksen lakattua. Magneettisesti kovilla aineilla on siis suuri remanenssi eli jäännösmagnetismi.

Magnetismi, sähkö ja suppea suhteellisuusteoria[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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. [1] 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.

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. On the Electrodynamics of Moving Bodies Fourmilab. Viitattu 03.11.2007.