Magneetti ja magneettikenttä

Magneettien välillä havaitaan vuorovaikutus. Ne vetävät toisiaan puoleensa tai hylkivät toisiaan. Magneeteilla on kaksi erityyppistä päätä. Keskenään samanlaiset päät hylkivät kaikki toisiaan ja erilaiset vetävät toisiaan puoleensa. Magneetin päitä kutsutaan etelä- ja pohjoiskohtioiksi, joiden lyhenteet ovat S (south) ja N (north).

Kompassin neula on herkkäliikkeinen magneetti. Kun kompassi tuodaan magneettisen kappaleen tai virtajohtimen lähelle, kohdistuu kompassineulaan magneettinen vuorovaikutus ja se kääntyy. Magneetin pohjoiskohtio vetää puoleensa kompassineulan eteläkohtiota ja päinvastoin. Kompassin neulan pohjoiskohtioon kohdistuu voima, joka kääntää neulan magneettikentän suuntaiseksi. Kompassineulan liikkeestä voidaan päätellä myös vuorovaikutuksen heikkenevän siirryttäessä kauemmas magneetista. Alla olevalla videolla havainnoidaan magneettikentän suuntaa sauvamagneetin ympäristössä.

Magneetit vetävät puoleensa toisten magneettien lisäksi tietyistä aineista, erityisesti raudasta, koostuvia kappaleita. Raudan ja magneetin välisessä vuorovaikutuksessa rauta magnetoituu, kun rautakappaletta ympäröivä ulkoinen magneettikenttä tekee raudasta magneettisen. Vaikutus voi säilyä jonkin aikaa. Pysyvä magnetoituminen eli kestomagneetti saadaan aikaiseksi esim. magnetoimalla rautaa sulana.

Kappaleen magneettisuus perustuu sen rakenneosien ominaisuuksiin. Näitä ovat sähköisesti varattujen hiukkasten liike ja alkeishiukkasten spiniksi kutsuttu ominaisuus. Magneettisissa kappaleissa aineen atomit ryhmittyvät magneettisiksi alkeisalueiksi, jotka ovat ei-magneettisessa kappaleessa sekalaisessa järjestyksessä kumoten toistensa vaikutukset. Aineen magnetoituessa alkeisalueet järjestäytyvät samansuuntaisiksi, ja aineesta tulee kokonaisuudessaan magneettinen. Useimmat materiaalit eivät magnetoidu. Esimerkiksi puun molekyylirakenne on sellainen, ettei magneettinen järjestäytyminen ole mahdollista.

Maan magneettikenttä muistuttaa yksinkertaistettuna sauvamagneetin magneettikenttää. Päiväntasaajalla kenttä on likimäärin maan pinnan suuntainen. Suomessa, suhteellisen lähellä pohjoisnapaa, kenttä osoittaa vinosti kohti maanpintaa, kohti pinnan sisällä olevaa eteläkohtiota. Maan pinnan ja kentän välistä kulmaa kutsutaan inklinaatioksi. Inklinaatio Suomessa vaihtelee 72°−78° välillä. Inklinaatiokulma on merkitty viereiseen kuvaan symbolilla $\mathrm{\alpha <!--\; \alpha \; -->}$. Koska Maan magneettikenttä ei ole ideaalisauvamagneetin muotoinen, vaihtelee kentän suunta paikallisesti. Deklinaatio tarkoittaa magneettisen ja maantieteellisen navan välistä kulmaa. Suomessa deklinaatio on 4°−10° itään. Deklinaatiokulma on merkitty kuvaan symbolilla $\mathrm{\beta <!--\; \beta \; -->}$.

ideolla havaittiin, että virtajohtimen magneettikenttä osoittaa päinvastaisiin suuntiin eri puolilla johdinta. Kenttäviivat ovat johdinta kiertäviä ympyröitä. Kauempana johtimesta kompassi reagoi heikommin sähkövirtaan, joten kenttä heikkenee siirryttäessä johtimesta poispäin. Virtajohtimen kentän suunta voidaan päätellä johtimen oikean käden säännöllä. Peukalo ilmaisee sähkövirran suunnan johtimessa ja sormien kiertosuunta magneettikentän suunnan.

Kentän voimakkuuteen virtajohtimen läheisyydessä vaikuttavat sähkövirran suuruus sekä etäisyys johtimesta. Tarkoissa mittauksissa magneettivuon tiheyden ja sähkövirran välille löydetään suoraan verrannollisuus $B\backsim <!--\; \backsim \; -->I$ . Etäisyyden ja magneettivuon tiheyden välillä on puolestaan käänteinen riippuvuus ($B\backsim <!--\; \backsim \; -->1/r$). Nämä riippuvuudet pätevät, kun johdin jatkuu kauas molempiin suuntiin tarkastelukohdasta. Malli antaa oikeanlaisia ennusteita pitkille virtajohtimille.

Koulutöissä tai arkielämässä syntyvien sähkövirtojen luomat magneettikentät ovat hyvin heikkoja, mutta sähkönsiirtolinjoissa kulkee suuria sähkövirtoja. Vaikka sähkövirta voi olla varsin suuri, on magneettivuon tiheys linjan alla maanpinnan tasolla tyypillisesti heikompi kuin Maan magneettikenttä johtuen käänteisestä etäisyysriippuvuudesta.

Magneettikenttä riippuu myös väliaineesta, jossa johdin sijaitsee. Eri väliaineiden kykyä välittää magneettista vuorovaikutusta kutsutaan permeabiliteetiksi, jota merkitään tunnuksella $\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}$.​ Tyhjiön permeabiliteettia, luonnonvakiota, merkitään tunnuksella ${\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}_0$,​ ja sen suuruus on ${\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}_0=4\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}\cdot <!--\; \cdot \; -->{10}^{-<!--\; -\; -->7}\frac{\text{T}\cdot <!--\; \cdot \; -->\text{m}}{\text{A}}$​​. Ilma ei vaikuta magneettikenttään merkittävästi eri tavalla kuin tyhjiö. Tilanteet, jossa väliaineena on ilma, mallinnetaan tyhjiön permeabiliteettia käyttäen.