Magnetikenttien

Magnetikenttien ovat vektorikenttä, joka kuvaa magneettisten vaikutusten tilan pisteessä. Se voidaan esittää magneettivuon tiheytenä B, joka määrittää kentän voimakkuuden ja suunnan. Sähkövirrat sekä elektronien sisäinen magneettinen momentti ovat kentän keskeisiä lähteitä, ja kenttää voidaan tarkastella sekä yksittäisen paikan että tilan muutosten kautta.

Pääkäsitteitä ovat B- ja H-kenttä. B kuvaa magneettivuo tiheyttä ja sen suuntaa, kun taas H kuvaa kentän vaikutusta materiaaliin sen magneettikäyttäytymisen näkökulmasta. Materiaalin magnetismiin liittyy magnetisaatio M, ja ne ovat yhteydessä toisiinsa kaavalla B = μ0(H + M). Tämä erottelu on erityisen tärkeä magneettisten aineiden tutkiskelussa.

Maxwellin yhtälöt kytkevät magnetikentän sähköisiin ilmiöihin. Magneettisuudesta johtuva Gaussin laki on ∇·B = 0, Faradayn induktiolaki ∇×E = -∂B/∂t ja Ampèren laki ∇×H = Jf + ∂D/∂t. Yhtälöt kuvaavat, miten kentät syntyvät, muuttuvat ja vaikuttavat toisiinsa sekä sähkövarausten että aineisiin liittyvän magnetisaation kautta.

Lähteet magnetikentille ovat sähkövirrat sekä hiukkasten magneettiset momentit; geologisesti magnetoituneet mineraalit ja tunneli- sekä kvanttitason ilmiöt kuuluvat kentän ilmenemismuotoihin. Mittauksessa käytetään teslaa (T) mittayksikkönä; 1 T on 1 N/(A·m). Maapallon magneettikenttä on noin 25–65 μT, kun taas suurten laitteiden kuten MRI-kuvantamisen kentät ovat tyypillisesti 1,5–3 T.

Sovelluksia on lukuisia: sähkömoottorit, generaattorit ja muuntajat sekä magneettinen tallennus, kompassi ja lääketieteellinen kuvantaminen MRI:ssä. Magnetikenttien tutkimus yhdistää aineen magnetismin, sähkömagnetismin ja materiaalitieteen. Historiaan kuuluvat Ørstedin, Faradan ja Maxwellin työ, jotka esittivät kenttien ja sähkön välistä yhteyttä sekä loivat modernin sähkömagnetismin teorian.