Magnetväli

Magnetväli kannab üle magneti jõude. See on elektromagnetilise energia väli. Seega näitab magnetvälja tugevus, kui tugev on magnet. Kuna magnetilise energia hulka kirjeldab energiatoode, milles magnetvälja tugevus esineb ruudus, on kahekordse magnetvälja tugevusega magnetil neljakordne jõutoime võrreldes ühekorra väljatugevusega magnetiga.

Magnetvälju illustreeritakse jõujoontega

Magnetvälja kujutatakse sageli jõujoonte abil. Need jõujooned muutuvad nähtavaks, kui magneti kohal olevale paberile puistata rauapulbrit. Sellisel juhul paigutuvad rauaosakesed jõujoontega paralleelselt ja teevad magnetvälja nähtavaks.

Magnetvälja jõujooned on alati suletud, kulgevad definitsiooni järgi magneti põhjapoolusest lõunapoolusesse ja on magneti pinnaga risti. Põhimõtteliselt tekitavad magnetvälju liikuvad laengud. Ka voolu kandev juhe tekitab magnetvälja.

Magnetväli on puhas dipoolväli. See tähendab, et ei ole olemas magnetilisi laenguid, mida saaks käsitleda üksikpólidena, vaid alati on magnetid põhjapooluse ja lõunapoolusega. Matemaatiliselt saab tõestada, et sel põhjusel on jõujooned alati suletud. Need kulgevad põhjapoolusest lõunapoolusesse ja magneti sees tagasi põhjapoolusesse.

Magnetväljade kirjeldamine Maxwelli võrranditega

Magnetvälja kirjeldavad Maxwelli võrrandid. Maxwelli võrrandid määravad, kui tihedad on magnetvälja jõujooned antud voolude jaotuse korral ning mis suunas need kulgevad. Maxwelli võrrandite abil saab arvutada, kui tugev on magnetväli antud voolude korral ja millises suunas toimivad magnetilised jõud. Sealjuures pole magnetväljal allikaid, samal ajal kui elektrilaengud on elektrivälja allikad. See avaldub selles, et laengutest "voolavad" jõujooned välja või "voolavad" neisse sisse. Magnetvälja allikaid ei ole. Muutuvad elektriväljad ja voolud tekitavad aga magnetilisi pööriseid. Seega on magnetväli puhas pöörisväli.

Kui paljud väiksed magnetid kattuvad, on kogu mõõdetav magnetvälja tugevus võrdne kõigi väikeste magnetite magnetväljade summaga. Seda põhimõtet nimetatakse superpositsioonipõhimõtteks. Superpositsioonipõhimõttest järeldub, et paljud imepisikesed mikroskoopilised rõngasvoolud materjalis, millest igaüks tekitab ühe elementaarmagneti, põhjustavad koos mõõdetava magnetiseerituse, s.t. märgatava magnetvälja, kui kõik elementaarmagnetid on ühtlaselt joondunud. Kui elementaarmagnetid on seevastu juhusliku suunaga, siis väljapoole magnetvälja ei mõõdeta.

Magnetväljade arvutamine

Levinud arvamusele vastupidiselt ei lühendata magnetvälja füüsikas tähega B ning seda ei mõõdeta nagu seda B-välja, mis tähistab magnetilist vootihedust, ühikutes tesla või gauss. Magnetvälja lühendatakse hoopis tähega H ja seda mõõdetakse ühikus amprit meetri kohta.

Kehtib seos

\( H = \frac{1}{\mu\mu_0}\cdot {B}\)
Siin tähistab μ materjali magnetilist permeabiilsust, millega magnetväli on täidetud. μ₀ on vaakumi magnetiline permeabiilsuskonstant. Vaakumi ja ligikaudu ka õhu korral kehtib μ=1. Raua puhul võib μ olla kuni mõne tuhande suurune.

Vooluga läbitava mähise magnetiline vootihedus suureneb teguriga μ, kui mähises on materjal magnetilise permeabiilsusega μ. Magnetilisel vootihedusel pole allikaid ega neeldumiskohti. Seetõttu tungib see rauast õhuruumi, oma suurust muutmata. See põhjustab õhus vastavalt suure magnetvälja. Magnetväljad tugevnevad seega kokkupuutel ferromagnetiliste materjalidega.

Seda võib ette kujutada nii, et magnetväli seadis ferromagnetilises materjalis olemasolevad mikroskoopilised magnetilised momendid paralleelselt joondunuks, mistõttu need tekitavad omakorda magnetilise vootiheduse. See magnetiline vootihedus võib olla palju tugevam (teguri μ võrra tugevam) kui magnetiline vootihedus, mis algselt need paljud elementaarsed magnetid joondas.

Magnetjõudude ruuteline sõltuvus magnetvälja tugevusest on lihtsasti ettekujutatav. Raua magnetiseerimisel magneti „M4” väljas, mille väljatugevus on kaks korda suurem kui teisel magnetil „M1”, magnetiseerub raud samuti kaks korda tugevamalt. Raud, mis on M4 väljas ise kaks korda tugevamalt magnetiseeritud (võrreldes M1-ga), tõmmatakse nüüd magneti M4 poolt ühe magnetiseerituse ühiku kohta omakorda kaks korda tugevamalt (võrreldes M1-ga). Seega on kogu magnetiline jõumõju ning ka magnetis M4 sisalduv magnetilise energia kogus neli korda suurem kui M1 puhul. Jõumõju ja energia­toode kasvavad ruutuliselt magnetilise vootiheduse ehk magnetvälja suurenedes.