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.

Historia 

Aristoteleen välittämien tietojen mukaan magnetismia tutki tarkemmin ensimmäisenä Thales, joka eli noin vuosina 625–545 eaa. Kuitenkin jo suunnilleen samoihin aikoihin myös Intiassa Sushruta käytti ensimmäisenä magneetteja kirurgisiin tarkoituksiin.

Sana magneetti () johtuu Vähän-Aasian muinaisen Magnesian kaupungista, jonka läheisyydestä löydettiin magneettista malmia, magnetiittia. Vanhalla ja keskiajalla magneeteilla uskottiin yleisesti olevan maagisia ja tauteja parantavia ominaisuuksia.

Kiinassa varhaisimmat kirjalliset tiedot magnetismista ovat 300-luvulta eaa. peräisin olevasta, tekijänsä mukaan nimetystä teoksesta Demonien laakson valtias (鬼谷子). Siinä mainitaan magneettiset kivet, jotka saavat raudan tulemaan luokseen tai vetävät sitä puoleensa. Ensimmäinen maininta neulaan kohdistuvasta voimasta on vuosien 20 ja 100 jaa. välillä laaditussa teoksessa Louen-heng. Magneettisesta kompassista kirjoitti ensimmäisenä kiinalainen tiedemies Shen Kuo (1031–1095), jonka mainitsi myös sen käyttö­kelpoisuuden navigaatiossa ja että sen avulla voitiin määrittää tähti­tieteellinen todellinen pohjois­suunta. Magneettisen kompassin käyttö navigointiin yleistyikin Kiinassa jo 1100-luvulla. Magneettineula kiinnitettiin kehikkoon tuolloin niin päin, että neula aina osoitti etelään.

Euroopassa kompassia ja sen käyttöä navigoinnissa kuvasi ensimmäisenä Alexander Neckam noin vuonna 1187. Vuonna 1269 Petrus Petegrinus kirjoitti teoksen Epistola de magnete, jossa magneettien ominaisuuksia ensimmäisen kerran kuvattiin laajasti. Vuonna 1282 magneettien ja kompassin ominaisuuksista kirjoitti laajasti islamilainen fyysikko, tähtitieteilijä ja maantieteilijä Al-Ashraf.

Vuonna 1600 tähtitieteilijä William Gilbert julkaisi teoksensa De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (”Magneeteista, magneettisista kappaleista sekä suuresta magneetista, Maasta”).  Siinä hän kuvasi monia koetuloksiaan terrellaksi nimittämällään Maan mallilla. Koetulostensa perusteella hän päätteli, että Maa itse on magneettinen ja että juuri siitä syystä kompassineula osoittaa pohjoiseen. Aikaisemmin ilmiön syyksi oli arveltu, että Pohjantähti olisi voimakkaasti magneettinen tai että pohjois­navalla olisi suuri magneettinen saari, joka vetäisi kompassin­neulaa puoleensa. 

Miten sähkö ja magnetismi liittyvät toisiinsa, selvisi vähitellen sen jälkeen, kun Kööpenhaminan yliopiston professori Hans Christian Ørsted vuonna 1819 miltei vahingossa havaitsi, että sähkövirta vaikuttaa lähellä olevan kompassin neulaan. Seuraavana vuonna Jean-Baptiste Biot ja Félix Savart julkaisivat Biot’n ja Savartin lain, joka osoittaa sähkövirtaa ympäröivän magneettikentän riippuvuuden etäisyydestä johtimesta, ja André-Marie Ampère totesi sähkö­virtojen välisen voima­vaikutuksen. Samaan aikaan François Arago havaitsi, että sähkövirran avulla on myös mahdollista magnetoida lähellä olevia rauta­kappaleita. Michael Faraday totesi vuonna 1831, että virta­silmukan läpäisevä, ajallisesti muuttuva magneetti­kenttä indusoi johtimeen jännitteen. Hän ja muut löysivät myös muita yhteyksiä sähkön ja magnetismin välillä. Lopulta James Clerk Maxwell kokosi tutkimus­tulokset yhtenäiseksi sähkömagnetismin teoriaksi, ja hänen muotoilemansa Maxwellin yhtälöt muodostavat sekä sähköopin, magnetismin että optiikan perustan. Näistä yhtälöistä tuli myöhemmin myös yksi lähtö­kohta, jonka pohjalta Einstein vuonna 1905 kehitti erityisen suhteellisuus­teorian, jonka mukaan nämä lait pätevät kaikissa inertiaalijärjestelmissä.

Jo Ampère esitti vuonna 1820, että aineiden magneettiset ominaisuudet aiheutuisivat jonkinlaisista atomeja tai molekyylejä kiertävistä sähkövirroista. Näiden virtojen luonne oli kuitenkin epäselvä siihen saakka, kunnes atomin rakenne 1900-luvun alkupuolella selvitettiin.

Sähkömagnetismin teorian kehitys on jatkunut vielä 2000-luvulla, ja se on liittynyt perustavampiin fysikaalisiin teorioihin kuten mittakenttäteorian, kvanttielektrodynamiikkaan, sähköis­heikon vuoro­vaikutuksen teoriaan ja lopulta standardimalliin.

Magneettinen kenttä ja voima 

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 sähkövirrasta johtimessa tai johtimen liikuttamisesta), joissain tapauksissa myös elektronin liikkeestä atomissa tai magneettisten dipolien sisältämien elektronien spineistä. Vastaavasti ajallisesti muuttuva magneettikenttä saa aikaan sähkömotorisen voiman johteeseen. Sähkön ja magnetismin yhteyteen - sähkömagnetismiin - perustuu muuntajien, sähkömoottorien ja -generaattorien toiminta.

Pitkää tasavirtajohdinta ympäröivää magneettikenttää kuvaa Biot’n ja Savartin laki, jonka mukaan magneettivuon tiheys on kääntäen verrannollinen etäisyyteen johtimesta:

missä  on yleinen magneettivakio, I sähkövirta ja r etäisyys johtimesta.

Kun varattu hiukkanen liikkuu magneettikentässä , siihen vaikuttaa voima , joka saadaan ristitulosta:

missä
 on hiukkasen sähkövaraus,
 on hiukkasen nopeusvektori ja
 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

missä  on vektoreiden  ja  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.

Magnetismin alkuperä 

Viime kädessä kaikki magnetismi aiheutuu joko
 sähkövarauksellisten hiukkasten liikkeestä tai
 alkeishiukkasten spinistä ja siihen liittyvästä magneettisesta momentista.

Elektronien magneettinen momentti on yleensä tuhansia kertoja suurempi kuin atomiydinten, minkä vuoksi viimeksi mainittuja ei juuri tarvitse ottaa huomioon tutkittaessa eri aineiden magnetoitumista. Atomiytimien magneettisella momentilla on kuitenkin keskeinen merkitys ydinmagneettissa resonanssissa (NMR) ja siihen perustuvassa magneetti­kuvauksessa (MRI).

Klassisesti ajateltuna elektroni kiertää atomiydintä, ja sitä 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.

Tavallisesti aineessa olevat lukemattomat elektronit ovat järjestyneet sillä tavalla, että niiden sekä spinistä että rataliikkeestä aiheutuvat kumoavat toistensa vaikutuksen. Osittain tämä johtuu siitä, että elektronit ryhmittyvät pareiksi, joihin kuuluvilla eketroneilla Paulin kieltösäännön mukaisesti on vastakkaiset spinit, tai ne täyttävät tietyt orbitaalit kokonaan niin, että samalla orbitaalilla olevien elektronien magneettiset momentit kumoavat toisensa. Kummassakin tapauksessa elektronien magnetismi kumoutuu atomin ulkopuolella kokonaan. Silloinkin kun atomin elektronikonfiguraatiossa on parittomia elektroneja tai vajaasti täytettyjä alikuoria ja atomilla näin ollen on magneettinen momentti, eri atomien magneettiset momentit kiinteässä aineessa osoittavat satunnaisesti eri suuntiin ja kumoavat toisensa, eikä aine näin ollen ole magneettista.

Kuitenkin joskus, joko spontaanisti tai ulkoisen magneettikentän vaikutuksesta, suurella osalla elektroneista on kutakuinkin samansuuntainen magneettinen momentti. Tällöin aine voi saada aikaan nollasta nettomääräisesti poikkeavan magneettikentän, joka voi olla voimakas.

Edellä kerrotuista syistä aineen magneettiset ominaisuudet riippuvat sen rakenteesta, varsinkin sen elektronikonfiguraatiosta, sekä myös lämpötilasta. Korkeissa lämpötiloissa lämpöliike vaikeuttaa elektronien pysymistä sellaisessa järjestyksessä, että niiden magneettiset momentit ovat samansuuntaiset.

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 liikkeessä. Se reagoi magneettikenttään samaan tapaan kuin paramagneettinen aine, mutta paljon voimakkaammin.

Muita magnetismin tyyppejä
 Metamagnetismi
 Molekyyliperustainen magneetti
 Spin-lasi

Magneettikenttä väliaineessa 

Magneettikenttää kuvaavia suureita ovat magneettivuon tiheys B ja magneettikentän voimakkuus H. Molemmat ovat vektorisuureita, joista magneettivuon tiheys liittyy erityisesti siihen, kuinka suurella voimalla kenttä vaikuttaa virtajohtimiin ja liikkuviin varauksiin, magneettikentän voimakkuus taas sen kykyyn magnetoida kentässä olevia kappaleita. Vaikka niillä SI-järjestelmässä onkin eri yksiköt, tyhjiössä niiden välillä oikeavälillä oikeastaan edes ole mitään käsitteellistä eroa. Sitä vastoin väliaineessa magneettikentän voimakkuudella tarkoitetaan vain ulkoista kenttää, kun taas magneettivuon tiheydessä otetaan huomioon myös aineen oman magnetoitumisen aiheuttama kenttä. Tyhjiössä nämä suureet ovat siis suoraan verrannolliset:

,
missä  on magneettivakio eli tyhjiön permeabiliteetti.

Väliaineessa niiden välisen yhteyden ilmaisee yhtälö  

Tässä esiintyvää suuretta  sanotaan magneettiseksi polarisaatioksi.

Jos kenttä H on heikko, sen aikaansaama polarisaatio on sekä diamagneettisissa että paramagneettisissa lähes suoraan verrannollinen kentän voimakkuuteen:
.
Verrannollisuuskerrointa  sanotaan magneettiseksi suskeptibiliteetiksi. Kun se pysyy vakiona, pätee:
.

Sitä vastoin ferromagneettisissa aineissa polarisaatio ei ole suoraan verrannollinen kenttään, ja aine pysyy magneettisena sen jälkeenkin, kun ulkoinen magneettikenttä on poistettu. Tätä jäljelle jäävää magnetoitumaa sanotaan jäännös­magnetismiksi eli remanenssiksi.

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.

Sähkömagneetit 

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

Kestomagneetit 

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.

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 liikemäärämomentti on niiden etäisyydestä riippumatta yhtä suuri kuin sähkö- ja magneettivarauksen tulo. Kun toisaalta kvanttiteorian mukaan jokaisen systeemin liikemäärämomentti 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 arvioida, 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.

Magnetismi, sähkö ja suppea suhteellisuusteoria 

Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria, osoitti, miten sähkö ja magnetismi liittyvät perustavalla tavavalla toisiinsa. Teorian mukaisista ilmiöistä kuten pituuskontraktiosta, aikadilaatiosta ja siitä, että magneettinen voima riippuu nopeudesta, seuraa, että suhteellisuusteorian mukaan voisikaan olla magnetismia ilman sähköä tai sähköä ilman magnetismia.  Sitä vastoin sähkömagnetismin teoria, johon molemmat oleellisesti kuuluvat, on täysin yhteensopiva erityisen suhteellisuusteorian kanssa. Erityisesti sama ilmiö, joka yhden havaitsijan näkökulmasta näyttää puhtaasti sähköiseltä tai puhtaasti magneettiseltä, voi toisen havaitsijan näkökulmasta olla molempien yhdistelmä. Sähkö- ja magneettikenttä eivät olekaan toisistaan riippumattomia, vaan ne yhdessä muodostavat sähkömagneettisen kentän. Miten se jakautuu sähkö- ja magneettikentäksi, riippuu havaitsijan liiketilasta ja käytetystä koordinaatistosta tavalla, jonka osoittaa sähkömagneettisen kentän Lorentz-muunnos.

Jo ennen suhteellisuusteoriaa magnetismin voitiin Maxwellin teorian kannalta katsoa aiheutuvan siitä, että sähkövarauksen liikkuessa sähkökentän muotoutuminen sen uuden aseman edellyttämään muotoon vie aikansa. Muutos tosin etenee erittäin nopeasti, valonnopeudella, mutta kentän siinä esiintyy aina pieni viive, johon liittyvät kentän vaihtelut liikkuvien sähkövarausten välisinä magneettisina voimina.

Kaikki sähkömagnetismista tehdyt havainnot viittaavat siihen, että ilmiöt, jotka näyttävät ensisijaisesti magneettisilta, esimerkiksi häiriöihin magneettikentässä, liittyy aina sähkökenttä, ja kenttien muutokset etenevät valonnopeudella.

Lähteet

Aiheesta muualla 

Tampereen teknillinen yliopisto: Magnetismi (pdf)
Paturi, Petriina: Magnetismin fysikaaliset perusteet, Turun yliopisto, Fysiikan laitos, 8.11.2007  (pdf)

 
Seulonnan keskeiset artikkelit