Sähkömagnetismin historia

Sähkömagnetismin historia käsittelee sähköisten ja magneettisten perusilmiöiden historiaa, ja ne yhdistävän sähkömagnetismin teorian kehittymistä.

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.

Lähteet

Sähkömagnetismi
Fysiikan historia