Magneettikenttä

Magneettikenttä on voimaan liittyvä ilmiö, joka aiheutuu  sähkövirrasta tai sähkökentän muutoksista. Magneettisten metallinkappaleiden, maan ja useimpien muiden taivaankappaleiden ympärillä on heikko luontainen magneettikenttä, ja sähköverkko sekä siihen yhdistetyt sähkölaitteet tuottavat ympärilleen keskivahvan tai voimakkaan magneettikentän. 

Tasavirta synnyttää staattisen magneettikentän ja ajallisesti vaihteleva vaihtovirta pulssimuotoisen. Magneettisten aineiden eli niin sanottujen pysyvien magneettien sisältämillä elektroneilla on luontainen magneettikenttä, jotka synnyttävät niin sanotun nettomagneettikentän.

Magneettikenttä aiheuttaa liikkuviin varauksiin voiman, joka on kohtisuorassa sekä varauksen liikesuuntaa että magneettikenttää vastaan. Kenttä pyrkii myös kääntämään kompassinneulan ja elimistön magnetiittihiukkasten kaltaiset magneetit kentän suuntaisiksi .

Ainakin linnut, mehiläiset, lohet, lepakot, valaat ja kilpikonnat (sekä mahdollisesti monet muut eläimet) kykenevät  suunnistamaan maan magneettikentän avulla. Lisäksi vuosina 2017 ja 2019 julkaistuissa tutkimuksissa on havaittu, että joidenkin ihmisten aivosähkökäyrä reagoi maan magneettikenttään samalla tavoin kuin ympäristön tietoisesti aistittavissa oleviin ärsykkeisiin. Koirat aistivat niin hyvin magneettikenttiä, että ne voidaan jopa kouluttaa etsimään magneetteja.

Magneettikentän suuntaa ja suuruutta kuvataan joko magneettivuon tiheydellä B tai magneettikentän voimakkuudella H. Magneettivuon tiheyden yksikkö SI-järjestelmässä on tesla.   Vanhempi CGS-järjestelmän mukainen yksikkö oli gauss.

Magneettikentän merkitys maan eliöille 

Monet eliöt kykenevät suunnistamaan maan magneettikentän avulla. Esimerkiksi linnut suunnistavat magneettiaistiksi kutsutun kemiallisen kompassinsa avulla, joka perustuu niin sanotulle radikaaliparien mekanismille. Valonsäteiden tuottamat fotonit irrottavat siinä elektroneja linnun silmän verkkokalvon kryptokromiproteiini-nimisestä reseptorimolekyylistä. Tällöin syntyy Maan magneettikentän suunnalle herkkiä vapaaradikaalipareja eli yhdisteitä, jossa on pariton elektroni tai vapaa valenssi. Verkkokalvon kryptokromiproteiinin absorboidessa valoa sen flaviiniadeniinidinukleotidissa syntyy vapaa radikaalipari, jonka toinen elektroni siirtyy 1,5 nanometrin päässä sijaitsevaan aminohappoon. Radikaalin parin elektronit muodostavat lomittuneine   elektroneineen koherentin kvanttitilan, jonka aikana linnun aivot vertaavat vapaan radikaaliparin elektronien välistä suuntaa Maan  magneettikentän kenttäviivojen suunnan kanssa. Kyseinen suuntakulma vaikuttaa siihen, kuinka nopeasti vapaa radikaalipari palaa neutraaliksi kryptokromiproteiiniksi lähettäen signaalin linnun hermojärjestelmään. Linnut kykenevät määrittämään myös magneettikentän  voimakkuuden hyödyntämällä nokassaan ja korvissaan sijaitsevia nanokokoisia magnetiittipalloja ja -kiteitä.

Kenttävoimakkuuksia 

Magneettikuvauslaitteissa käytetään noin 100 000 kertaa maapallon magneettikenttää voimakkaampia magneetteja.

Esimerkkejä magneettivuon tiheydestä erilaisissa magneettikentissä:
Maan magneettikenttä 25–50 μT (mikroteslaa) (0,25–0,5 gaussia)
Jupiter 400 μT eli 0,0004 T 
pieni magneetti 0,01 T
auringonpilkku 0,15 T (eräs arvio jopa 0,3 T)
magnetar (nopeasti pyörivä magneettinen neutronitähti) 100 GT

Yhtälöitä

Magneettikentän (vuontiheys B) kohdistama voima hiukkaseen, joka liikkuu nopeudella v ja jonka varaus on q:

Nopeudella v liikkuva hiukkanen, jolla on sähkövaraus q, aiheuttaa ympärilleen magneettikentän, jonka magneettivuon tiheys etäisyydellä r on

Magneettikentän kohdistama voima johtimeen, jossa kulkee virta I on

Biot-Savartin laki eli virtajohtimen, jossa kulkee virta I, aiheuttama magneettivuon tiheys etäisyydellä r:

missä  on magneettivakio eli tyhjiön permeabiliteetti.

Ampèren laki:

Ampere-Maxwellin laki:

Gaussin laki magneettikentille:

Faradayn induktiolaki, joka osoittaa, miten muuttuva magneettikenttä B saa aikaan pyörteisen sähkökentän E:

Esimerkkejä

Suoran virtajohtimen synnyttämä magneettikenttä.

Amperen lain mukaan minkä tahansa suljetun polun C läpi kulkeva virta I aiheuttaa magneettikentän, jonka suuruus on

Kun tarkastellaan (kuvitteellista) ympyrän muotoista polkua, joka on johtimesta etäisyyden R päässä saadaan polkuintegraalista

Magneettikenttä etäisyydellä R on siis

Magneettikentän suunta saadaan oikean käden säännöllä: kun oikea käsi asetetaan johtimen ympärille siten, että peukalo osoittaa virran kulkusuuntaan, magneettikentän kenttäviivat kiertävät johdinta sen ympärillä olevien sormien suuntaisesti.

Koska magneettikentään asetettuun johtimeen kohdistuu voima, joka riippuu magneettikentän voimakkuudesta ja johtimessa kulkevasta virrasta, kahden virtajohtimen asettaminen vierekkäin aiheuttaa kumpaankin joko niitä erilleen työntävän tai yhteen vetävän voiman riippuen siitä ovatko johtimien virran samansuuntaiset vai erisuuntaiset. Tämä voima riippuu vain johtimissa kulkevasta virrasta, johdinten etäisyydestä ja väliaineen permeabiliteetistä. Siksi ampeeri, sähkövirran yksikkö SI-järjestelmässä, on määritelty tämän ilmiön avulla.

Katso myös 
Magneettikentän voimakkuus
Magneettivuo
Magneettivuon tiheys
Magneettisen navan voimakkuus

Lähteet

Kirjallisuutta

Aiheesta muualla

Opetusvideoita aiheesta Opetus.tv-sivustolla

Magnetismi
Seulonnan keskeiset artikkelit