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.
Magneettikentän voimakkuutta ilmentää suure magneettivuon tiheys. Sen tunnus on ja yksikkö tesla (T). Magneettivuon tiheydellä on suunta, joten se on vektorisuure.
Magneettisen vuorovaikutuksen yhteydessä vektorisuureita esitetään usein kolmessa ulottuvuudessa. Tällöin esim. magneettivuon tiheydelle käytetään piirrosmerkintöjä, jotka ilmaisevat sen suuntautuvan piirroksesta ulospäin (⋅, piste) tai piirroksen sisään (×, rasti). Vastaavia merkintöjä voidaan käyttää myös muille vektorisuureille. Kuvassa vasemmanpuoleinen magneettikenttä suuntautuu tasosta ulos ja oikealla tasoon sisälle. Magneettikentät ovat homogeenisia, koska pisteet ja rastit sijaitsevat yhtä kaukana vierekkäisistä merkeistä.
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.
Rauta on esimerkki ferromagneettisesta aineesta. Raudan lisäksi ferromagneettisia aineita ovat koboltti, nikkeli ja muutamat näiden seokset ja yhdisteet. Ferromagneettiset aineet vahvistavat ulkoista magneettikenttää ja magnetoituvat voimakkaasti. Arkielämästä tutut magneetit ovat ferromagneettisia aineita. Paramagneettisten tai diamagneettisten aineiden magnetoituminen on sen sijaan huomattavasti heikompaa. Paramagneettiset aineet voimistavat ulkoista magneettikenttää vain vähän, jolloin syntyy heikko vetovuorovaikutus. Diamagneettiset heikentävät magneettikenttää, ja vuorovaikutus on hylkivä.
Magneettista vuorovaikutusta mallinnetaan kentän avulla vastaavasti kuin gravitaatiota (Resonanssi 5) tai sähköistä vuorovaikutusta (Resonanssi 6). Magneettikenttää kuvataan kenttäviivapiirroksella. Kenttäviivat ovat sulkeutuvia käyriä, jotka suuntautuvat magneetin pohjoiskohtiosta kohti eteläkohtiota. Kenttäviivojen tiheys ilmentää magneettisen vuorovaikutuksen voimakkuutta kyseisessä kohdassa. Alla on kuva sauvamagneetin synnyttämästä magneettikentästä.
Alla on vertailua varten kenttäviivapiirrokset positiivisen pistevarauksen sähkökentästä sekä dipolisähkökentästä. Yksittäisen pistevarauksen kenttäviivat jatkuvat äärettömyyteen, eivätkä sulkeudu. Kahden erimerkkisen varauksen sähkökenttä puolestaan kulkee positiivisesta varauksesta negatiiviseen varaukseen. Dipolisähkökenttä on hieman samankaltainen kuin sauvamagneetin kenttä, mutta olennainen ero on, että magneettikentän kenttäviivat ovat yhtenäisiä ja sulkeutuvia käyriä.
Sauvamagneetin kenttä ei ole vakio, vaan se muuttuu etäisyyden ja paikan mukaan. Sauvamagneetin kenttä on epähomogeeninen. Alla on simulaatio, jossa voi tarkastella magneettivuon tiheyden suuntaa ja suuruutta sauvamagneetin ympärillä.
U-magneetti on sauvamagneetin lisäksi tyypillinen kestomagneetin muoto. U-magneetissa etelä- ja pohjoiskohtiot on käännetty toisiaan vasten. Sen kenttä on voimakkain vastakkain käännettyjen kohtioiden välissä. Alla olevassa kuvassa kenttäviivoja ei ole piirretty jatkumaan magneetin sisällä.
Kompassia on hyödynnetty suunnistuksessa tiettävästi jo ennen ajanlaskumme alkua. Kompassi kertoo Maan magneettikentän suunnan. Kompassin neula osoittaa kohti Maan magneettikentän eteläkohtiota, joka sijaitsee maantieteellisen pohjoisnavan lähellä. Huomattavia poikkeamia kentän muotoon aiheuttavat kuitenkin maankuoren koostumus sekä aurinkotuuli. Geologisissa tutkimuksissa on myös osoitettu Maan magneettikentän vaihdelleen historian aikana.
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 . 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 .
Kestomagneettien lisäksi sähkövirta synnyttää magneettikentän. Ensimmäiset havainnot sähkövirran synnyttämästä magneettikentästä teki tanskalainen fyysikko Hans Christian Ørsted v. 1820. Havainto oli perusta nykyiselle sähkömagnetismin teorialle, jossa sähköiset ja magneettiset ilmiöt nähdään saman perusvuorovaikutuksen ilmentyminä.
Paikallaan oleva (staattinen) sähkövaraus ei luo ympärilleen magneettikenttää. Varatun hiukkasen liike, kuten sähkövirta johtimessa, sen sijaan synnyttää magneettikentän. Oheisessa videossa havainnoidaan magneettikenttää virtajohtimen ympäristössä kompassia käyttäen.
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 . Etäisyyden ja magneettivuon tiheyden välillä on puolestaan käänteinen riippuvuus (). 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 . Tyhjiön permeabiliteettia, luonnonvakiota, merkitään tunnuksella , ja sen suuruus on . Ilma ei vaikuta magneettikenttään merkittävästi eri tavalla kuin tyhjiö. Tilanteet, jossa väliaineena on ilma, mallinnetaan tyhjiön permeabiliteettia käyttäen.
Virtajohdin synnyttää ympärilleen magneettikentän. Kenttäviivat ovat johdinta kiertäviä ympyröitä. Kentän suunta voidaan päätellä oikean käden säännön mukaisesti.
Magneettivuon tiheys tietyssä pisteessä pitkän suoran johtimen lähellä riippuu sähkövirrasta () sekä siitä, kuinka etäällä piste on johtimesta ().
on tyhjiön permeabiliteetti, jonka arvo on .
1. Mikä seuraavista vektoreista esittää parhaiten magneettivuon tiheyttä pisteessä P?
2. Missä kuvan pisteistä magneettivuon tiheys on pienin?
3. Johtimessa on kuvan suuntainen sähkövirta. Minkä suuntainen on magneettivuon tiheys samassa tasossa kohdassa A?
Maan pinnalla magneettikentän suunta poikkeaa lähes aina jonkin verran maantieteellisestä pohjois-etelä-suunnasta. Tätä poikkeamaa kutsutaan deklinaatioksi. Se tulee huomioida suunnistettaessa, jotta kompassin ja kartan pohjoissuunnat vastaavat toisiaan. Deklinaatio eli eranto onkin merkitty karttoihin, ja kompassin asteikon voi säätää sen mukaisesti.
Myös inklinaatio, eli magneettikentän poikkeama vaakasuunnasta, vaikuttaa kompassin toimintaan. Kompassilla halutaan havainnoida Maan magneettikentän vaakakomponenttia, joten neula tasapainotetaan inklinaatio huomioiden. Inklinaatio vaihtelee Maan leveyspiirien mukaan, minkä vuoksi kompassivalmistajat tekevät kompasseista eri versiota. Kompassin käyttö väärällä alueella vääntää neulaa pystysuunnassa ja aiheuttaa ylimääräistä kitkaa, joka estää neulaa pyörimästä hyvin.
Suhteellinen permeabiliteetti on kerroin, joka huomioi väliaineen vaikutuksen magneettisiin ilmiöihin. Suhteellinen permeabiliteetti lasketaan permeabiliteetin ja tyhjiön permeabiliteetin suhteena.
Esimerkiksi raudan suhteellinen permeabiliteetti on 200 000 ja ilman 1,000 000 37.
Katkaistaessa sauvamagneetti keskeltä kahtia saadaan kaksi uutta magneettia. Näin tapahtuu, koska magneetti koostuu samansuuntaisesti järjestyneistä alkeismagneeteista. Katkaisussa ei siis synny pistemäistä "pohjoismagneettia", magneettista monopolia.
Moderni sähkömagnetismin teoria ei estä magneettisten monopolien olemassaoloa. Tällaisia ei kuitenkaan ole luonnossa havaittu.
Kopioi kuvat 1 ja 2 (alla) ja hahmottele niihin merkittyihin kohtiin A–C magneettivuon tiheysvektorit. Kiinnitä huomiota vektorien suuntiin ja suuruussuhteisiin.
Suorassa johtimessa on 6,7 ampeerin sähkövirta. Kuinka kaukana johtimesta sen magneettikenttä on heikompi kuin Maan kenttä? Maan magneettikentän magneettivuon tiheys on noin 55 μT.
Magneettivuon tiheys pitkän suoran johtimen ympärillä noudattaa kaavaa
Tästä voidaan ratkaista etäisyyden lausekkeeksi
Yli 2,4 cm:n etäisyydellä johtimesta sen magneettikenttä on heikompi kuin Maan kenttä.
1. Minkä suuntainen on magneettikenttä pisteessä 1 sauvamagneetin läheisyydessä?
2. Minkä suuntainen on magneettikenttä pisteessä 2 sauvamagneetin läheisyydessä?
3. Minkä suuntainen on magneettikenttä pisteessä 3 keskellä sauvamagneetin sisällä?
4. Minkä suuntainen on magneettikenttä pisteessä 4 kahden samanlaisen sauvamagneetin läheisyydessä?
5. Sauvamagneetti katkaistaan keskeltä ja alkuperäisen eteläkohtion puolisko viedään pois. Minkä suuntainen on magneettikenttä pisteessä 5?
Valitse tiedostot, jotka haluat lisätä. Tuetut formaatit ovat txt, html, htm, pdf, odt, odp, ods, xls, xlsx, ppt, pptx, pps, doc, docx, rtf, png, jpg, jpeg ja gif.
| Nimi | |
|---|---|
| poista |
Huom.! Linkkien tulee alkaa ”http://”!
Opiq käyttää verkkosivun toiminnan, turvallisen käytön varmistamisen, käytön analysoimisen ja parhaan käyttömukavuuden tarjoamisen edellyttämiä evästeitä.
Eväste on käyttäjän tietokoneelta verkkosivun palvelimeen lähetettävä pieni tiedosto, joka sisältää verkkosivun toiminnan edellyttämiä käyttäjää ja hänen tekemiä valintoja koskevia tietoja.
Isoin osa evästeistä ovat Opiqin toiminnan kannalta välttämättömiä. Analyyttisistä evästeistä voi luopua ja silloin ei sinun käyttötietojasi ei käytetä Opiqin kehittämiseen. Lue lisää