Magneettikenttä on magneetin ympärillä oleva alue, jossa on magneettinen voima. Liikkuvat sähkövaraukset voivat aiheuttaa magneettikenttiä. Magneettikentät näkyvät yleensä magneettivuoroviivoista. Magneettikentän suunta näkyy aina magneettivuoroviivojen suunnasta: kenttäviivat osoittavat magneetin pohjoisesta etelään ulkopuolella olevassa tilassa. Magneetin voimakkuus liittyy magneettivuoroviivojen väleihin: mitä lähempänä viivat ovat toisiaan, sitä vahvempi magneetti on. Vuoroviivat voidaan nähdä asettamalla rautaviiluja magneetin päälle; rautahiutaleet liikkuvat ja järjestäytyvät viivoihin. Magneettikentät antavat voimaa muille hiukkasille, jotka liikkuvat kentässä tai ovat magneettisia dipoleja.

Mitä magneettikenttä tekee ja mistä se syntyy

Fysiikassa magneettikenttä on avaruuden läpi kulkeva kenttä, joka aiheuttaa magneettisen voiman liikkuville sähkövarauksille ja magneettisille dipoleille . Magneettikenttiä syntyy erityisesti

  • sähkövirtojen ympärille (esim. johtimissa),
  • magnetoituneiden aineiden (atomien ja atomiydinten magneettisten momenttien) vuoksi,
  • muuttuvien sähkökenttien yhteydessä (Maxwellin lisäyksen seurauksena).

Kun magneettikenttään asetetaan magneettiset dipolit, ne asettuvat usein samaan linjaan akseliensa ollessa samansuuntaisia kenttälinjojen kanssa — kuten nähdään rautahiutaleiden käyttäytymisessä magneetin läheisyydessä.

Matemaattinen kuvaus ja peruslait

Magneettikenttää kuvataan vektorikentällä B (magnetic flux density tai magnetisk flödestäthet). Tärkeitä yhteyksiä ja lauseita ovat mm.:

  • Lorentzin voima liikkuvaan varaukseen q: F = q(E + v × B). Erityisesti magneettinen osa on q(v × B), joten staattiseen varaukseen magneettikenttä ei vaikuta.
  • Biot–Savart'n laki antaa kentän pisteessä johtimesta kulkevan virran I: B(r) = (μ0 / 4π) ∫ (I dℓ × r̂) / r^2.
  • Ampèren lain avulla liittyvät virrat ja magneettikenttä: ∮ B · dℓ = μ0 I_enclosed + μ0 ε0 d/dt ∫ E · dA (Maxwellin yleistetty muoto).
  • Gaussin laki magneettikentälle: magneettikentän divergentti on nolla, ∇·B = 0 — kenttälinjat eivät pääty eikä yksittäisiä magneettisia monopoleja ole havaittu.

Energian ja impulssin kuvaus

Magneettikentällä on energiaa. Tyhjiön energitiheys magneettikentälle on

u = B² / (2μ0) (SI-yksiköissä), missä μ0 ≈ 4π·10⁻⁷ N/A² (vakio eli tyhjiön permeabiliteetti). Sähkömagneettisissa ilmiöissä kentillä on myös impulssia; elektromagneettisen kentän hetkellinen momentumitiheys SI-muodossa on g = ε0 E × B, missä ε0 on tyhjiön permittiivisyys.

Esimerkiksi käämistä varastoituva magneettienergia on W = 1/2 L I², missä L on induktanssi ja I virta.

Magneettisten materiaalien käyttäytyminen

Magneettisten materiaalien käyttäytyminen riippuu aineen mikrorakenteesta ja atomien magneettisista momenttien järjestäytymisestä:

  • Ferromagnetismi: atomien momentit asettuvat samansuuntaisiksi ja aiheuttavat voimakkaan pysyvän magneettisen momentin.
  • Paramagnetismi: materiaalit heikosti vetäytyvät magneettikenttään, momentit suuntautuvat kentän suuntaisesti satunnaisliikkeen vaikutuksesta.
  • Diamagnetismi: materiaalit, jotka heikosti vastustavat ulkoista magneettikenttää ja luovat vastakkaisen kentän pienen induktion kautta (katso diamagnetismi).

Lisätietoja magneettisten materiaalien fysiikasta löytyy myös hakusanoilla magnetismi ja magneetti.

Yksiköt ja tyypilliset kentän suuruudet

Magneettikentän SI-yksikkö on tesla (T). Vanhemmissa cgs-järjestelmissä käytetty yksikkö on gauss (G). Muunnos on:

1 T = 10⁴ G eli 1 gauss = 10⁻⁴ tesla.

Esimerkkejä kenttien tyypillisistä arvoista:

  • Maan magneettikenttä: noin 25–65 μT (0,25–0,65 G) riippuen paikasta.
  • Pienet jääkaappimagneetit: ~1–10 mT.
  • Sydämentutkimuksen magneettikuvantamisen (MRI) laitteet: tyypillisesti 1.5–3 T, tutkimuslaitteissa vielä suurempia.

Mittaaminen ja havainnointi

Magneettikenttiä voidaan mitata ja havainnollistaa monin tavoin:

  • Helppo visuaalinen tapa on käyttää rautahiutaleita tai kompassineuloja (kenttäviivat).
  • Tarkempaan mittaukseen käytetään mm. Hall-antureita, fluxgate-magnetometreja, ja erittäin herkissä mittauksissa SQUID-detektoreita (superconducting quantum interference device).

Sähkömagnetismi ja historialliset yhteydet

Sähkökenttä ja magneettikenttä ovat osa laajempaa sähkömagneettista kenttää. Muuttuvat sähkökentät synnyttävät magneettikenttiä ja päinvastoin — tästä periaatteesta seuraa mm. sähkömagneettinen säteily (valon ja radiotaajuuksien taustalla oleva periaate). Kokeellisia ja käsitteellisiä perusteita sähkön ja magneetin vuorovaikutuksille loi mm. Michael Faraday, ja ilmiöt saivat täyden matemaattisen muodon James Clerk Maxwellin työssä.

Lisähuomioita

Magnetismiin liittyvät ilmiöt ovat käytännössä monipuolisia: ne kattavat sähkömoottorit, generaattorit, sähkömagneetit, tallennustekniikat (kovalevyt), lääketieteelliset sovellukset (MRI) ja monia teollisuuden laitteita. Sähkömagneettisten kenttien yliopistokurssit käsittelevät aihetta yleensä Maxwellin yhtälöiden, kenttäteorian ja materiaalifysiikan näkökulmista. Sähkömagneettisesta induktiosta ja muuttuvien sähkökenttien vaikutuksista katso myös sähkömagnetismi.