Magnetväli

Ajalugu

Kuigi magnetid ja magnetism olid teada juba varem, hakkas selle põhjalikum uurimine aastal 1269, kui Prantsuse teadlane Petrus Peregrinus de Maricourt kaardistas magnetvälja sfäärilise magneti pinnal kasutades raudnõelu . Märgates, et vastava väljajooned ristusid kahes punktis, nimetas ta neid punkte poolusteks analoogselt Maa poolustega. Peaaegu kolm sajandit hiljem imiteeris William Gilbert Colcheterist Petrus Peregrinuse tööd ja oli esimene, kes märkis selgesõnaliselt, et ka Maa on magnet. 1600. aastal avaldatud Gilbert'i töö, "De Magnete", aitas kaasa magnetismi kui teaduse loomisel.
Aastal 1750 märkis John Michell, et magnetvälja poolused tõmbuvad ja lükkuvad pöördvõrdeliselt kauguse ruuduga (pöördruutsõltuvus). Charles-Augustin de Coulomb kontrollis seda katseliselt 1785. aastal ja märkis selgesõnaliselt, et põhja- ja lõunapoolusi ei saa lahutada. Tuginedes sellele poolusevahelistele jõule, Siméon-Denis Poisson (1781–1840) lõi esimese õnnestunud mudeli magnetväljast, mida ta tutvustas 1824. aastal. Selles mudelis on magneti H-väli tekitatud magnetpooluste poolt ja magnetism on tingitud väikeste põhja-lõunapooluste paaride poolt.
Kolm avastust viisid magnetismi teadusharu loomiseni. Esiteks, 1819. aastal avastas Hans Christian Oersted, et elektrivool tekitab seda ümbritseva magnetvälja. Edasi aastal 1820 näitas André-Marie Ampère, et kaks paralleelset juhet, milles on samasuunaline elektrivool, tõmbuvad. Viimaks Jean-Baptiste Biot ja Félix Savart avastasid 1820. aastal seaduse, mis kujutab õigesti voolu all oleva juhtme ümber olevat magnetvälja. See Biot'-Savart'i seadus on tuntud ka Biot'-Savart'i-Laplace'i seadusena, sest Pierre-Simon Laplace sõnastas selle üldkujul.
Laiendades neid eksperimente, avaldas Ampère edukalt oma mudeli magnetismi kohta aastal 1825. Seal näitas ta elektrivoolu ja magnetite samaväärsust  ja püstitas hüpoteesi, et magnetism on tingitud elektrivooluringi püsivast voolust, mitte Poissoni magnetilise dipooli mudelist. Sellel on täiendav eelis seletamaks, miks magnetlaengut ei saa isoleerida. Lisaks tuletas Ampère nii Ampère'i jõu seaduse, mis kirjeldab jõude kahe elektrivoolujuhtme vahel, kui ka Ampère'i seaduse, mis nagu ka Biot'-Savart'i seadus kirjeldab täpselt magnetvälja tekkimist ühtlase voolu korral. Selles töös võttis Ampère elektri ja magnetismi vaheliste seoste kirjeldamiseks kasutusele termini "elektrodünaamika".
Aastal 1831 avastas Michael Faraday elektromagnetilise induktsiooni, kui leidis, et muutuv magnetväli tekitab ümbritseva elektrivälja. Ta kirjeldas seda nähtust Faraday induktsiooni seadusena. Pärast seda tõestas Franz Ernst Neumann, et magnetväljas liikuva elektrijuhi jaoks on induktsioon Ampère'i jõu tagajärg. Selle protsessi käigus tutvustas ta magnetvälja potentsiaali vektorit, mis hiljem osutus samaväärseks Faraday pakutud tekkemehhanismiga.
1850. aastal eristas Lord Kelvin, sel ajal tuntud kui William Thomson, kahte magnetvälja, mida nüüd tähistatakse H ja B-ga. Esimene rakendub Poissoni mudelile ja teine Ampère'i ja induktsiooni mudelile. Veel enamgi, ta tuletas, kuidas H ja B omavahel seotud on.
Aastatel 1861–1865 arendas ja publitseeris James Clerk Maxwell Maxwelli võrrandid, mis selgitasid ja ühendasid kogu klassikalise elektri ja magnetismi. Esimesed valemid olid avaldatud artiklis "On Physical Lines of Force" aastal 1861. Need võrrandid kehtisid, kuigi olid puudulikud. Maxwell lõpetas oma võrrandid 1865. aastal artiklis "Elektromagnetvälja dünaamiline teooria" ja demonstreeris fakti, et valgus on elektromagnetlaine. Heinrich Hertz kinnitas eksperimentaalselt seda fakti aastal 1887.
Kui Ampère'i jõu seaduses oli magnetvälja tekitatud jõud liikuval elektrilaengul ebatäpselt ja mitte kuigi detailselt seletatud, siis 1892. aastal parandas Hendrik Lorentz selle, tuginedes Maxwelli võrranditele. Sellega sai viimane tükk klassikalise elektrodünaamika teooria puslesse lisatud.
20. sajandil laiendati elektrodünaamika teooriat, kuhu lisati ka relatiivsusteooria ja kvantmehaanika. Albert Einstein, 1905. aasta artiklis, mis tutvustas relatiivsusteooriat, näitas, et nii elekter kui ka magnetism on sama nähtuse erinevad osad, mis on vaadeldud erinevast taustsüsteemist. Lõpuks ühendati ka kvantmehaanika ja elektrodünaamika – kvantelektrodünaamika.

Ühikud

SI ühikutes on B mõõdetav teslades (sümbol T) ja vastav magnetvoog ΦB on mõõdetav veeberites (sümbol Wb), nii et voo 1 Wb/m² tihedus on 1  teslat. SI ühik tesla on võrdne njuuton*sekund/kulon*meeter (N*s/C*m). CGS-süsteemis mõõdetakse B gaussides (sümbol G) (konverteerimine on 1 T = 10 000 G). H-välja mõõdetakse amprites meetri kohta (A/m) SI ühikutes ja örstedides (Oe) CGS-ühikutes.

Mõõtmine

Kõige suurem täpsus magnetvälja mõõtmisel on atoteslade suurusjärgus (10⁻¹⁸ tesla); suurim tekitatud magnetväli laboris on 2,8 kT (VNIIEF Sarovis Venemaal, 1998). Mõne astronoomilise objekti, nagu magnetar, magnetväli võib olla väga tugev, 0,1–100 GT (10⁸ – 10¹¹ T). Vt Mõõtühikute detsimaaleesliited.
Lokaalse magnetvälja mõõtmise seadmeid nimetatakse magnetomeetriteks. Magnetomeetreid on erinevaid: pöörleva pooli, Halli efekti, tuumamagnetresonants, ülijuhtiva kvanthäirete seade ning õhuavaga kompassid. Kaugete astronoomiliste objektide magnetväljad on mõõdetavad selle mõju kaudu, mida nad avaldavad kohalikele laetud osakestele. Näiteks elektronide spiraalne liikumine ümber jõujoone tekitab sünkrotronkiirguse, mis on kindlaksmääratav raadiolainetega.

Magnetvälja jõujooned

(vaata ka elektrivälja jõujooned)
Objekti magnetvälja kaardistamine on põhimõtte poolest lihtne. Esmalt tuleb mõõta magnetvälja sõud ja suund paljudes erinevates kohtades (võib igas ruumipiirkonnas). Seejärel tuleb iga asukoht kirjeldada noolega (vektoriga), mis osutab lokaalse magnetvälja suunas ja selle pikkus on proportsionaalne magnetvälja tugevusega.
Alternatiivne meetod kaardistamiseks on ühendada magnetjõujoonte nooled, mis moodustuvad väljajooned. Magnetvälja suund on igas punktis sel juhul paralleelne selle lähima väljajoonega. Väljajoonte tihedus on proportsionaalne väljatugevusega.
Magnetvälja jõujooned on nagu Samakõrgusjooned topograafilisel kaardil, nii et nad esitavad midagi pidevat ning teistsugune kaardistamine võib näidata jooni kas tihedamalt või hõredamalt. Jõujoonte esitamise eeliseks on, et mitmed magnetismi (ja elektromagnetismi) seadused võib formuleerida täielikult ja lühidalt kasutades lihtsat kontseptsiooni nagu keha läbivate jõujoonte arv. Neid kontseptsioone on lihtne üle viia matemaatilisse vormi. Näiteks kindlat pinda läbivate jõujoonte arv on magnetvälja pindintegraal.
Erinevad nähtused võivad esile tuua jõujooned nagu see oleks füüsikaline nähtus. Näiteks rauapuru, mis on asetatud magnetvälja joondub nii, et formeeruvad väljajooned . jõujooned on samuti nähtavad virmalistel, kus plasmaosakeste dipoolvastastikmõju loob nähtavad valgusejooned taevasse, mis on joondunud Maa magnetvälja suunas.
Jõujooni võib kasutata kvalitatiivse vahendina, et visualiseerida magnetilisi jõude. Ferromagnetilistes ainetes nagu raud ja plasmas võib magnetilisi jõude mõista kui kujutleda jõujooni rakendades Maxwelli pingetensorit (nagu kummipaelal) piki ja survet risti nende naaberjõujoontega. Erimärgilised magnetpoolused tõmbuvad, sest nad on ühendatud paljude jõujoontega, samamärgilised magnetpoolused tõukuvad, sest nende jõujooned ei kohtu, kuid asuvad paralleelselt, tõugates teineteist. Selle kontseptsiooni range vorm on elektromagnetilise pingeenergia tensor.

Magnetväli ja elektrivool

Elektrivool nii tekitab magnetvälja kui ka tunnetab jõudu B-välja tõttu.

Jõu suund

Jõu suunda laetud osakese või voolu korral on võimalik määrata mnemoonika abil, tuntud kui parema käe reegel (vaata joonist). Kasutades paremat kätt ja osutades pöidla liikuva positiivse laengu või voolu suunas ja sõrmed B-välja suunas, siis jõud mõjub peopesast välja. Negatiivselt laetud osakese jõud mõjub vastassuunas. Kui mõlemad kiirus ja laeng on vastupidised, siis jõud suund püsib sama. Sellel põhjusel ei saa magnetvälja mõõtmistest teada, kas on tegemist positiivse laenguga, mis piigub paremale või negatiivse laenguga, mis liigub vasakule, sest mõlemal juhul tekitab samasuguse voolu. Samas magnetväli kombineerituna elektriväljaga võimaldab eristada neid olukordi.
Parema käe reegli alternatiiviks on ka vasaku käe reegel.

H ja B vahelised seosed

Valemid, mis on tuletatud eespool magnetvälja jaoks, on korrektsed, kui vaatleme kogu laengut korraga. Magnetiline materjal, mis on paigutatud magnetvälja, tekitab seotud voolu, mida on üsnagi keeruline arvutada. (See seotud vool on tingitud aatomisuurusest vooluringidest ja subatomaarsete osakeste, nagu elektron, spinnist). H-väli, nagu eelnevalt defineeritud, aitab sellest tegurist lahti saada. Edaspidi on kirjeldatud, kuidas see võimalik on.