Magnetism

Magnetismi ajalugu

Magnetismi all mõistetakse füüsikalist nähtust magnetilised jõud. Juba 500 aastat enne Kristust tunnetasid kreeklased elektrilisi ja magnetilisi tõmbe- ja tõukejõude. On olemas tõendid elektriliste tõmbejõudude vaatlusest paberiribade ja hõõrutud merevaigu vahel. Siinjuures toimivad jõud tekivad hõõrutud merevaigu elektrostaatilise laengu tõttu. Miletose Thales kirjeldas 500 eKr Vana-Kreekas Magnesia linnast pärit kivide jõutoimet rauaosakestele. Leiukoht Magnesia andis magnetismi nähtusele selle nime. Isegi arvatakse, et hiinlased tundsid juba 800 eKr, s.t. 300 aastat enne kreeklaste dokumenteeritud vaatlusi, magnetkivi jõude. Umbes 1000 pKr töötati Hiinas välja esimene algeline kompass.

Paljud teadlased tegelesid alates renessansist (umbes 1500) magnetismi nähtusega. Sageli aeti magnetism ja elekter segi. Teisalt pidasid mõned teadlased neid ka põhimõtteliselt erinevateks nähtusteks. Coulomb kinnitas 1785. aastal, et vastupidiselt elektrile on võimatu magnetit tema põhja- ja lõunapooluseks lahutada. Kui püsimagnet puruneb, saadakse ikka ja jälle väiksemad magnetid, millel on igaühel nii põhja- kui ka lõunapoolus.

1820. aastal avastas Oersted, kellele oli elekter ja magnetism hästi tuntud, elektriliste ja magnetiliste jõudude seose, kui ta märkas voolu läbiva juhtme tekitatud kompassinõela hälvet.

Maxwelli võrrandid: magnetismi põhivõrrandid

Kõigi elektriliste ja magnetiliste nähtuste täielik selgitus füüsikaliselt-matemaatiliselt täpses mõttes anti alles 1864. aastal füüsik James Clerk Maxwelli poolt. Tema sõnastas tema järgi nimetatud Maxwelli võrrandid, mis kirjeldavad täielikult elektri- ja magnetvälju ning neist tulenevaid jõude. Magnetismi põhivõrrandid on kaks neljast Maxwelli võrrandist, mis kirjeldavad magnetilise vootiheduse vektorvälju.

Need kaks ajalistest muutust arvestavat Maxwelli võrrandit magnetilise vootiheduse \(\vec{B}\) seose kohta voolutihedusega \(\vec{j}\) ja elektrivälja tugevuse muutumisega \(\dot{\vec{E}}\) on:

\(\nabla\cdot\vec{B} = 0\)
ja

\(\nabla{\times{\vec{B}}} =\mu_0\cdot\vec{j}+\frac1{c^2}\dot{\vec{E}}\).

Siin esinevad vaakumi permeabiliteedikonstant \(\mu_0\), voolutihedus \(\vec{j}\) ja valguse kiirus c.

Maxwelli võrrandite järgi on olemas ainult suletud magnetilised jõujooned. Seda kirjeldab võrrand \(\nabla\cdot\vec{B} = 0\). Võrrand ütleb, et jõujoonte "avatud" osa, s.t magnetvälja niinimetatud divergens, on null. Matemaatiliselt on see ekvivalentne väitega, et magnetilisi monopole, st ainult põhja- või ainult lõunapoolusega magneteid, ei ole olemas.

\(\nabla{\times{\vec{B}}} =\mu_0\cdot\vec{j}+\frac1{c^2}\dot{\vec{E}}\) ütleb, et suletud magnetiliste jõujoonte põhjuseks on kas voolud \(\vec{j}\), s.t liikuvad laengud, või üldisemalt elektrivälja muutumine \(\dot{\vec{E}}\). Viimane on oluline elektromagnetlainete kirjeldamisel, mis levivad ruumis vastastikku üksteist tekitavate elektri- ja magnetvõnkumistena. Viimatinimetatud võrrand selgitab Oerstedi vaatlust: magnetiline kompassinõel on ise väike püsimagnet. Voolu kandev juhe tekitab magnetilisi jõujooni, mis vastastikmõjul kompassinõela magnetväljaga avaldavad nõelale jõudu.

Laengutest enestest lähtuvad omakorda elektrilised jõud. Seda kirjeldavad samuti kaks Maxwelli võrrandit:

\(\nabla\cdot\vec{E} = \frac\rho\epsilon_0\)
ja

\(\nabla{\times{\vec{E}}}+\dot{\vec{B}} = 0\).

Siin tähistab ρ laengutihedust kui elektrivälja \(\vec{E}\) peamist allikat. ε₀ tähistab vaakumi dielektrilisuskonstanti. Elektrivälja suletud jõujooned (rotatsioonid) \(\nabla{\times{\vec{E}}}\) tekivad analoogiliselt suletud magnetiliste jõujoontega magnetvoo muutumisest \(\dot{\vec{B}}\).

Elektri ja magnetismi selge eristamine ning samaaegne ühtne kirjeldus füüsikas saavutati esmakordselt Maxwelli võrranditega. Siin selgitatakse elektri ja magnetismi jõude väljadega, nimelt magnetväljade ja elektriväljadega.

Tänapäeval räägitakse elektromagnetismist. Ajaliselt muutuvate elektri- ja magnetväljade teooriat nimetatakse elektrodünaamikaks. Elektrodünaamikas käsitletakse seega magnetismi ja elektrit täielikult.

Nn "materjaliparameetrite", näiteks magnetilise permeaabluse μ, abil kirjeldatakse magnetväljade mõju ainele. Seda saab samuti arvutada Maxwelli võrrandite abil. Selleks tuleb võrranditesse lisada sellised efektid nagu magnetiseeritus ja elektriline polarisatsioon. Tänapäeval on klassikalisele elektrodünaamikale lisandunud eeskätt materjaliparameetrite määramise kasvav täpsus ning kvantobjektide käsitlus kvantelektrodünaamikas, mis on ka aktuaalsed uurimisvaldkonnad.

2007. aastal tunnustati füüsik Grünbergi niinimetatud hiidmagnettakistuse avastust Nobeli preemiaga.