Magnetfelt

Historisk bakgrunn

Kort tid etter at Ørsted i 1820 oppdaget et en elektrisk strøm kunne påvirke en kompassnål, gikk Ampère i gang med å utforske denne nye kraften mer nøyaktig. Hans første resultat kan summeres opp i Ampères sirkulasjonslov som forbinder det magnetiske feltet med strømmen som skaper det. Parallelt med dette arbeidet kom Biot og Savart frem til en alternativ formel for magnetfeltet. Denne Biot-Savarts lov er ekvivalent med Ampères, men mer anvendelig for praktisk beregninger.
Mens Biot og Savart forklarte sine observasjoner ved å anta at strømmen i en elektrisk leder gjorde denne magnetisk og dermed påvirket kompassnålen, foreslo Ampère at all magnetisme må forklares som vekselvirkninger mellom elektriske strømmer. Han kunne demonstrere dette ved å vikle en strømførende ledning rundt en spole med det resultat at spolen virket på akkurat samme måte som en stavmagnet. Jordens magnetfelt forklarte han med strømmer som går i lukkete baner i dens indre, mens alle permanente magneter inneholder mikroskopiske strømsløyfer, såkalte 
«ampèrske strømmer». Magnetiske krefter kunne i dette bildet da reduseres til krefter som virker på avstand mellom strømførende ledninger. I de følgende årene konsentrerte Ampère seg om å finne en formel for denne basale kraften.
Samtidig med disse undersøkelsene til Ampère, ga Poisson en teoretisk beskrivelse av magnetisme som skyldes magnetiseringen i det indre av magneter. Han forklarte denne med eksistensen av mikroskopiske, magnetiske dipoler. Denne antagelsen avhenger ikke av om disse består av ampèrske strømsløyfer eller eventuelle,  magnetiske ladninger. Derfor er denne beskrivelsen fremdeles gyldig i dag og danner grunnlaget for moderne magnetostatikk.
Mens idéen om å forklare magnetisme ved ampèrske strømsløyfer i stor grad viste seg å være riktig ved etableringen av atomfysikken hundre år senere hvor de kunne forklares med elektronenes rundgang i atomene, ble Ampères fjernvirkningsteori for magnetiske krefter etter hvert erstattet med en feltteori hvor en av strømmene skaper et magnetfelt som lokalt virker på den andre strømmen. Denne beskrivelsen var også kompatibel med Biot-Savarts lov. Med bidrag fra Grassmann ble Ampères kraftlov reformulert til den endelige formen den har idag.
Det var de eksperimentelle arbeidene til Faraday som satte det magnetiske feltet i fokus for å forklare all aspekt ved magnetismen. Han kunne visualisere feltet ved dets feltlinjer som fikk en konkret betydning som formidler av magnetiske krefter. En konsistent, matematisk beskrivelse av hans idéer ble funnet av Maxwell som viste at det magnetiske feltet ikke bare er direkte forbundet med elektriske strømmer, men også til det elektriske feltet. Begge feltene er komponenter av et enhetlig, elektromagnetisk felt som oppfyller Maxwells ligninger. Disse gir opphav til bølgeligningen for elektromagnetisk stråling som lys er et eksempel på.

Magnetiske material

Alle material består av atomer som er magnetiske dipoler. Skyldes denne egenskapen primært bevegelsen til elektronene, vil et ytre magnetfelt H indusere en forandring i denne bevegelsen slik at effekten av det ytre feltet blir redusert ved å gi opphav til en magnetisering M. I et «lineært materiale» kan man skrive at M = χ H  hvor χ er  susceptibiliteten til materialet. Denne er derfor negativ i et slikt diamagnetisk materiale. Dette er innholdet av Lenz' lov. Man kan derfor skrive det resulterende magnetfeltet som B = μ₀(H + M)  som dermed blir litt mindre enn det ytre feltet. 
Men det finnes også paramagnetiske material med  χ > 0 hvor denne effekten blir overvunnet av  at de magnetiske momentene til atomene retter seg inn i samme retning som det ytre feltet. Denne effekten blir større desto lavere temperaturen til materialet blir slik at termiske fluktuasjoner påvirker den i mindre grad. Tilsvarende vil den forsvinne ved tilstrekkelig høye temperaturer hvor disse fullstendig dominerer atomenes bevegelser.