Magnetismi

Magnetismi on fysikaalinen ilmiöluokka, joihin liittyvät voimat vaikuttavat magneettisten kappaleiden sekä sähkövirtojen ja liikkuvien sähkövarausten välillä. Magneettisissa ilmiöissä kappale vaikuttaa toiseen kappaleeseen veto- tai poistovoimalla. Tunnetuin magneettinen ilmiö on ferromagnetismiin liittyvä kestomagneettien kyky vetää puoleensa lähellä olevia rautaesineitä. Magnetismi liittyy läheisesti sähköön ja se on osa sähkö­magneettista vuoro­vaikutusta. Sähkömagneettinen säteily kuten valo on sähkö- ja magneettikentän värähtelyä.
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.

Aineiden magneettiset ominaisuudet

Kun aine on ulkoisessa magneettikentässä, kenttä joko vahvistuu tai heikkenee. Tämän ilmiön voimakkuutta kuvaa aineen 
suhteellinen permeabiliteetti. Useimmilla aineilla se on lähellä arvoa 1, eli ne vaikuttavat kenttään vain heikosti.
Diamagneettisilla aineilla se suhteellinen permeabiliteetti on hieman pienempi kuin 1, eli ne 
heikentävät kenttää jonkin verran, kun taas para­magneettisilla aineilla se on hieman suurempi kuin 1 eli ne hieman voimistavat kenttää. Ferro­magneettisten aineiden vaikutuksesta magneettikenttä voimistuu jopa monituhatkertaiseksi. Lisäksi kestomagneetti hylkii heikosti diamagneettisia ja vetää heikosti puoleensa paramagneettisia aineita.
Klassisista teorioista kuitenkin seuraisi, ettei mitään näistä magnetismin muodoista voisi esiintyä. Niiden selittäminen aineen rakenteen perusteella edellyttääkin kvanttimekaniikkaa.

Diamagnetismi

Diamagnetismi aiheutuu aineen pyrkimyksestä vastustaa ulkoisen magneetti­kentän vaikutusta, minkä vuoksi kenttä työntää sitä luotaan. Diamagnetismia esiintyy kaikissa aineissa. Kuitenkin niissä aineissa, joissa esiintyy myös paramagnetismia, viimeksi mainittu on voimakkaampaa. Sen vuoksi diamagneettisuus onkin havaittavissa vain niissä aineissa, joissa muita magnetismin muotoja ei esiinny. Tällaisissa aineissa ei ole parittomia elektroneja, minkä vuoksi elektronien spinmagneettiset momentit eivät voi vahvistaa toisiaan. Näissä tapauksissa magnetoituminen aiheutuu elektronien rataliikkeestä. 
Diamagnetismin syytä voidaan kuvailla olettamalla, että kun aine asetetaan ulkoiseen magneettikenttään, sen atomiytimiä kiertäviin elektroneihin kohdistuu ytimen aiheuttaman, Coulombin lain mukaisen vetovoiman lisäksi magneettikentän aikaansaama Lorentzin voima. Riippuen siitä, mihin suuntaan elektroni kiertää, tämä voima voi työntää niitä joko ydintä kohti tai siitä poispäin. Lenzin lain mukaisesti tämä ilmiö heikentää niiden elektronien rataliikkeestä aiheutuvaa magneettista momenttia, joilla tämä on ulkoisen magneettikentän suuntainen, ja voimistaa sitä niillä elektroneilla, joilla se on vastakkaissuuntainen. Täten elektronien yteenlaskettu magneettinen momentti poikkeaa nollasta ja on ulkoiseen kenttään nähden vastakkaissuuntainen. 
Edellä esitetty selitys on kuitenkin vain heuristinen. Itse asiassa ilmiön selittäminen edellyttää kvanttimekaniikkaa.
Diamagnetismia esiintyy kaikissa aineissa. Paramagneettisissa ja varsinkin ferromagneettisissa aineissa se on kuitenkin heikompi kuin ne ilmiöt, jotka aiheutuvat parittomista elektroneista ja vaikuttavat päinvastaiseen suuntaan.

Paramagnetismi

Paramagnetismia esiintyy vain aineissa, joiden atomit tai molekyylit ovat pysyvästi magneettisia. Tämä edellyttää, että atomissa tai molekyylissä on ainakin yksi pariton elektroni, toisin sanoen atomi- tai molekyyliorbitaali, jossa on vain yksi elektroni. Kun samalla orbitaalilla on kaksi elektronia, Paulin kieltosäännön vuoksi niiden spinit ja niihin liittyvät magneettiset momentit ovat vastakkais­suuntaiset, jolloin niiden magneettikentät kumoavat toisensa. Sitä vastoin parittoman elektronin magneettinen momentti voi saman atomin muista elektroneista riippumatta olla minkä suuntainen tahansa. Kun paramagneettinen aine on ulkoisessa magneettikentässä, eri atomien magneettiset momentit suuntautuvat tämän kentän mukaisesti ja näin ollen vahvistavat sitä.

Ferromagnetismi

Kuten paramagneettisissa, myös ferromagneettisissa aineissa on parittomia elektroneja. Paramagneettisista aineista ne eroavat kuitenkin siinä, etteivät ne asetu samansuuntaisesti ainoastaan ulkoisen kentän vaikutuksesta, vaan silloinkin kun ulkoista kenttää ei ole, vierekkäisten atomien magneettisilla momenteilla on pyrkimys asettua samansuuntaiseksi alemman energiatilan ylläpitämiseksi.
Jokaisella ferromagneettisella aineella on tietty lämpötila, Curie-piste, jonka yläpuolella se menettää ferro­magneettiset ominaisuutensa. Tämä aiheutuu siitä, että tarpeeksi korkeassa lämpötilassa lämpöliikkeen taipumus aiheuttaa epäjärjestystä voittaa aineen pyrkimyksen saavuttaa alempi energiatila ferromagneettisen järjestyksen avulla.
Ferromagnetismia esiintyy vain harvoissa aineissa. Sellaisia ovat rauta, nikkeli ja koboltti sekä niiden seokset, sekä jotkin harvinaisia maametalleja sisältävät metalliseokset. Mangaani ei puhtaana ole ferromagneettista, mutta sekin muodostaa useiden muiden metallien kanssa ferromagneettisia seoksia.  Useat muutkin aineet tulevat matalissa lämpötiloissa ferromagneettisiksi, mutta niiden Curie-piste on paljon tavallista huoneenlämpötilaa alempi.

Magneettiset alkeisalueet

Ferromagneettisissa aineissa atomien magneettinen momentti saa ne käyttäytymään pienten kesto­magneettien tavoin. Ne kiinnittyvät toisiinsa, ja pienillä alueilla, joita sanotaan Weissin alkeisalueiksi, eri atomien magneettiset momentit asettuvat samansuuntaisiksi. Nämä alueet voidaan havaita magneetti­voima­mikro­skoopilla, jolloin alkeisalueiden rajat näkyvät kuvassa valkoisina viivoina. Monilla muillakin tieteellisillä kokeilla alkeis­alueet saadaan näkyviin.
Kun alkeisalue sisältää liian monta molekyyliä, se tulee epävakaaksi ja jakautuu lolpulta kahteen alueeseen, joiden magneettiset momentit ovat vastakkais­suuntaisiksi, kuten näkyy oikealla olevassa kuvassa.
Ulkoisessa magneettikentässä alkeisalueiden väliset rajapinnat siirtyvät siten, että magneettikentän suuntaiset alkeisalueet laajenevat. Ilmiötä kuvaa keltaisen katkoviivan ympäröimä alue vasemmalla olevassa kaaviossa. Kun magnetoiva kenttä poistetaan, alkeisalueet eivät aina palaudukaan alkuperäiseen tilaansa, vaan kentän laajentamat alkeisalueet saattavat jäädä sen poistuttuakin muita suuremmiksi. Jos näin tapahtuu, kappaleesta on tullut kestomagneetti. Jos ferromagneettinen aine tulee niin voimakkaasti magneettiseksi, että kokonaisen kappaleen kaikkien atomien magneettiset momentit ovat samansuuntaiset ja se muodostaa yhden ainoan suuren Weissin alkeisalueen, se magneettisesti kyllästetty.
Jos magnetoitunutta ferromagneettista ainetta kuumennetaan Curie-pisteeseen saakka, Weissin alkeisalueet hajoavat ja niistä aiheutuvat magneettiset ilmiöt lakkaavat. Mutta kun se jälleen jäähtyy, sen atomit järjestyvät uudestaan Weissin alkeisalueiksi hieman samaan tapaan kuin tarpeeksi jäähtyvä neste lopulta jähmettyy kiteiseksi kiinteäksi aineeksi.

Antiferromagnetismi

Päinvastoin kuin ferromagneettisissa, anti­ferro­magneettisissa aineissa vierekkäisten atomien valenssielektronien magneettisilla momenteilla on taipumus asettua vastakkais­suuntaisiksi. Tällöin ne kumoavat toistensa magneettiset vaikutukset. Anti­ferro­magneettisten aineiden kokonais­magneettimomentti on nolla, mikä merkitsee, etteivät ne saa aikaan kenttää. 
Antiferromagneettisia aineita ovat muun muassa mangaanioksidi (MnO) ja rautaoksidi (FeO). Kullakin tällaisilla aineilla on tietty lämpötila, Néelin lämpötila, jonka yläpuolella anti­ferro­magnetismia ei enää esiinny vaan aine on paramagneettista.
Joissakin aineissa vierekkäisillä elektroneilla on taipumus asettua niin, että niiden magneettiset momentit ovat vastakkais­suuntaiset, mutta ei synny geometrista järjestystä, jossa ne olisivat vastakkais­suuntaiset jokaisessa naapuri­atomien parissa.  Tällaisia aineita sanotaan spin-lasiksi, ja ilmiö on esimerkki geometrisesta frustraatiosta.

Ferrimagnetismi

Antiferromagneettisten aineiden tavoin myös ferrimagneettisissa aineissa vierekkäisten atomien magneettiset momentit ovat vastakkais­suuntaiset. Niissä atomit ovat kuitenkin järjestyneet siten, että tietyn suuntaiset magneettiset momentit ovat säännöllisesti suuremmat kuin päinvastaiseen suuntaan osoittavat. Tuloksena on ferromagnetismia muistuttava, joskin heikompi magnetismi. 
Useimmat ferriitit ovat ferromagneettisia. Ensimmäinen tunnettu magneettinen aine, magnetiitti, on ferriitti, ja sitä luultiin kauan ferro­magneettiseksi. Vasta Louis Néel selvitti, mikä ero on ferro- ja ferri­magneettisilla aineilla ja osoitti, että magnetiitti kuuluu jälkimmäiseen ryhmään.

Superparamagnetismi

Jos ferro- tai ferrimagneetti on tarpeeksi pieni, se toimii kuin yksi magneettinen spin, joka on Brownin liikeessä. Se reagoi magneettikenttään samaan tapaan kuin paramagneettinen aine, mutta paljon voimakkaammin.

Magneetit

Jokaisessa magneetissa on kaksi kohtiota eli napaa, jotka näyttävät toimivan voimavaikutuksen keskuksina. Ne ovat erilaisia, ja toista niistä sanotaan magneetin pohjois-, toista eteläkohtioksi. Kahden eri magneetin samanlaiset kohtiot työntävät toisiaan luontaan, kun taas toisen magneetin pohjoiskohtio vetää toisen magneetin eteläkohtiota puoleensa ja päinvastoin. Napojen nimitykset pohjaavat magneettien käyttöön kompassissa. 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.
Tyypillisesti magneetti käyttäytyy monessa suhteessa ikään kuin sen magnetismi olisi kokonaan keskittynyt kahteen napaan eli kohtioon. Magneettisen momentin ohella sen voimakkuutta kuvaamaan voidaankin käyttää apusuureena myös magneettisen navan voimakkuutta, joka saadaan jakamalla magneettinen momentti kohtioiden välisellä etäisyydellä. Kohtioita ei kuitenkaan voi erottaa toisistaan. Jos magneetti katkaistaan, saadaan kaksi magneettia, joista kummassakin on sekä pohjois- että eteläkohtio.

Magneettinen monopoli

Tavallisessa magneetissa on aina sekä pohjois- että eteläkohtio, eli se on magneettinen dipoli. Jo kauan on kuitenkin teoreettisesti pohdittu, voisiko olla olemassa myös niin sanottuja magneettisia monopoleja, toisin sanoen kohteita, joissa on joko vain magneettinen pohjoisnapa tai vain etelänapa. Muutaman kerran sellaisia on väitetty löydetynkin, mutta havaintoja ei ole voitu vahvistaa.
Joissakin teoreettisen fysiikan malleissa magneettisia monopoleja pidetään kuitenkin mahdollisena. Paul Dirac kiinnitti vuonna 1931 huomiota siihen, että sähkön ja magnetismin välillä vallitsee huomattava symmetria. Koska kvanttielektrodynamiikka sallii, että on olemassa toisistaan erillisiä positiivisia ja negatiivisia sähkövarauksia, voisi symmetrian nojalla olettaa, että olisi myös erillisiä magneettisia pohjois- ja etelänapoja. Lisäksi magneettisten monopolien olemassaolo selittäisi sähkövarauksen kvantittumisen eli sen, että kaikkien tunnettujen alkeishiukkasten varaukset ovat tietyn yksikön, alkeisvarauksen monikertoja. Teorian mukaan tämä seuraa siitä, että sähkövarauksen ja magneettisen monopolin muodostaman systeemin impulssimomentti on niiden etäisyydestä riippumatta yhtä suuri kuin sähkö- ja magneettivarauksen tulo. Kun toisaalta kvanttiteorian mukaan jokaisen systeemin impulssimomentti on aina redusoidun Planckin vakion monikerta, seuraa tästä, että jos yksikin magneettinen monopoli on olemassa, on sähkövaraus kvantittunut kaikkialla.
Joidenkin suurten yhtenäisteorioiden mukaan magneettisia monopoleja on olemassa, mutta ne ovat alkeishiukkasista poiketen solitoneja eli lokalisoituneita energiapaketteja. Näiden mallien pohjalta on yritetty arvoida, minkä verran monopoleja syntyi alkuräjähdyksessä mutta tulos on ristiriidassa havaintojen kanssa — monopoleja olisi pitänyt syntyä niin paljon, että ne olisivat jo kauan sitten pysäyttäneet maailmankaikkeuden laajenemisen. Tämä tulos olikin yhtenä aiheena kosmisen inflaation teorian esittämiselle. Sen pohjalta saatiinkin kehitetyksi malli, jonka mukaan monopoleja on ollut olemassa, mutta niin vähän, etteivät ne voineet aiheuttaa nykyisten havaintojen kanssa ristiriidassa olevia seurauksia.