Magnetismin perusteet
Magnetismi on yksi fysiikan perusilmiöistä, jota voidaan havaita monissa erilaisissa materiaaleissa. Magnetismin ilmiö perustuu siihen, että aineiden atomeilla on magneettisia ominaisuuksia. Erityisesti elektronit ovat tärkeitä magneettisten ominaisuuksien kannalta, sillä niillä on sekä sähköinen varaus että pyörimisliike, jota kutsutaan spiniksi.
Magneettikenttä
Kun magneettisten materiaalien atomit ovat järjestäytyneet tietynlaiseksi rakenteeksi, aineesta muodostuu magneettikenttä. Magneettikenttä on alue, jolla on vaikutusta muihin magneettisiin materiaaleihin. Magneettikenttä voidaan havaita esimerkiksi kompassin neulalla, joka osoittaa pohjoisnavan suuntaan maan magneettikentän vaikutuksesta.
Magneettisten kenttien suunta ilmoitetaan yleensä vektorin avulla, joka kuvaa kentän suuntaa ja suuruutta. Magneettikenttä kuvataan yleensä B-vektorilla, jonka yksikkö on tesla (T). Magneettikentän voimakkuus voidaan laskea B-vektorilla ja magneettivuon tiheydellä (jota kuvataan symboleilla B ja Φ) seuraavasti:
- B = Φ / A
- missä Φ on magneettinen vuon tiheys, joka kuvaa magneettikentän vaikutusta pinnan läpi, ja A on pinnan pinta-ala.
Magneettiset momentit
Magneettiset momentit ovat magneettikentän aiheuttamia voimia, jotka kohdistuvat magneettisiin materiaaleihin. Magneetti- eli dipolimomenttia kuvataan usein symbolilla m. Dipolimomentilla tarkoitetaan hilan atomien tai molekyylien aiheuttamaa magneettista järjestystä, joka muodostaa dipolin. Dipolissa kentän suunta osoittaa dipolin negatiivisesta positiivista kohti.
Magneettisen momentin suuruus voidaan laskea kertomalla dipolin voimakkuus ja sen pituus. Magnettiaineiden dipolihetki on yleensä suuri verrattuna ei-magnettiaineisiin. Tämä johtuu siitä, että dipolimomenttiin vaikuttaa aineen hiukkasissa olevien elektronien spinien ja pyörimisliikkeiden summa.
Mageneettinen voima
Magneettinen voima on voima, joka kohdistuu magneettisiin materiaaleihin magneettikentän vaikutuksesta. Magneettinen voima voidaan laskea käyttäen Lorentzin voiman kaavaa:
- Fm = qvBsinα
- missä Fm on magneettinen voima, q on hiukkasen sähkövaraus, v on liikkumisnopeus, B on magneettikentän voimakkuus ja α on hiukkasen liikkeen ja magneettikentän suuntakulma.
Mageneettinen voima voi vaikuttaa hiukkasiin joko radiaalisesti tai tangentin suunnassa. Radiaalinen magneettinen voima aiheuttaa hiukkasen liikkeen magneettikentän ympäri, kun taas tangenttinen magneettinen voima aiheuttaa hiukkasen liikkeen magneettikentän suuntaisesti.
Magneettisuus eri aineissa
Erilaiset materiaalit ovat magneettisilta ominaisuuksiltaan erilaisia. Permanenttien magneettien valmistuksessa käytetään yleensä ferromagneettisia materiaaleja, jotka ovat voimakkaasti magneettisia ilman ulkoista magneettikenttääkin. Tyypillisiä ferromagneettisia aineita ovat rauta, nikkeli ja koboltti.
Myös diamagneettiset ja paramagneettiset aineet ovat magneettisuudeltaan erilaisia. Diamagneettisissa aineissa magneettikentän suuntaus vääristää hieman atomien elektronien kiertoratoja, mikä saa aikaan aineen heikon vastareaktion magneettikenttään. Paramagneettisissa aineissa ulkoinen magneettikenttä voi puolestaan vahvistaa aineen omaa magneetisuutta. Tyypillisiä paramagneettisia aineita ovat alumiini, kupari ja platina.
Magneettisten materiaalien käyttö
Magneettisten materiaalien käyttö on monipuolista ja sitä voidaan löytää useista eri sovelluksista. Erityisesti ferromagneettisilla materiaaleilla on laaja käyttöala, sillä niitä voidaan käyttää esimerkiksi sähkömoottoreiden roottoreissa, magneettinauhoissa ja kaiuttimissa. Diamagneettisia materiaaleja käytetään usein magneettikenttien mittauksessa, kun taas paramagneettisia aineita käytetään esimerkiksi magneettikenttien resonanssiimaging (MRI) -tutkimuksessa.
Kuitenkin myös magneettisten materiaalien käyttöön liittyy riskejä. Erityisesti ferromagneettisia materiaaleja tulee käsitellä varoen, sillä ne voivat aiheuttaa vaaratilanteita, jos ne vedetään liian lähelle toisiaan tai metalliesineitä. Lisäksi magneettiset kentät voivat vaikuttaa herkkään elektroniseen ja mekaaniseen laitteistoon, joten niiden käyttöä tulee harkita huolellisesti.
Yhteenveto
Magnetismin perusteisiin kuuluu monia erilaisia ilmiöitä, joiden ymmärtäminen on tärkeää fysiikan perusosaamisen kannalta. Magneettikenttä, magneettimomentit ja magneettinen voima ovat kaikki keskeisiä käsitteitä, joita tarvitaan magneettisuuteen liittyvän ilmiöiden ymmärtämiseksi. Lisäksi eri aineiden magneettisuus on tärkeä ominaisuus, jota tarvitaan esimerkiksi ferromagneettisten materiaalien käytössä.