Magnetizam

Električna struja i osnovni magnetni momenti elementarnih čestica dovode do magnetnog polja, koje djeluju na druge stuje i magnetne momente. Svi materijali su donekle pod utjecajem magnetnog polja. Najpoznatiji efekat se primjećuje kod stalnog magneta, koji ima dosljedne magnetne momente uzrokovane feromagnetizmom. Većina materijala nema stalni magnetni moment. Neke privlači magnetno polje (paramagnetizam); drugi se odbijaju od magnetnog polja (dijamagnetizam); ostali imaju mnogo kompleksniji odnos sa magnetnim poljima (ponašanje spin stakla i antiferomagnetizam). Supstance na koje magnetno polje neznatno utječe, poznatije su kao ne-magnetne supstance. One uključuju bakar, aluminij, gasove, i plastiku. Čisti kisik pokazuje magnetne osobine kada je ohlađen do tekućeg stanja.

Magnetno stanje (ili faza) materijala zavisi od temperature (i ostalih varijabli kao što su pritisak i primjenjeno magnetno polje), što znači da materijal može biti izložen više od jednom obliku magnetizma u zavisnosti od temeprature.

 

Aristotelu se pripisuje prva naučna rasprava o magnetizmu Talesa od Mileta, koji je živio od oko 625 p.n.e. do oko 545 p.n.e. Otprilike u isto vrijeme, u drevnoj Indiji, indijski hirurg, Sushruta, je bio prvi koji je koristio magnet u hirurške svrhe.

U drevnoj Kini, najranija književna referenca o magnetizmu se nalazi u knjizi iz 4. stoljeća p.n.e. koja je dobila ime po svom autoru, Gospodar doline demona (鬼谷子): "Magnetna ruda privlači željezo ili ga odbija." Najraniji pomeni privlačenja igle pojavljuju se u radu sastavljenom između 20. i 100. godine (Louen-heng): "Magnetna ruda privlači iglu." Kinski naučnik, Shen Kuo (1031–1095), je prva osoba koja je pisala o magnetnoj igli kompasa, te da ona poboljšava preciznost navigacije koristeći astronomske koncepte pravog sjevera (Mengxi bitan, 1088), i do 12. stoljeća Kinezi su bili poznati po upotrebi magnetnog kompasa za plovidbu. Oni su izradili kašiku od magnetne rude koja je pokazivala smjer, na način da je drška kašike uvijek pokazivala jug.

Alexander Neckam, u 1187. godini, je prvi Evropljanin koji je opisao kompas i njegovu upotrebu u navigaciji. 1269. godine Peter Peregrinus de Maricourt je napisao Epistola de magnete, prvu postojeću rapravu koja opisuje svojstva magneta. 1282. godine o osobinama magneta i suhom kompasu govorio je Al-Ashraf, jemenski fizičar, astronom, i geograf.

 

1600. godine William Gilbert je izdao njegovu De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (O mahnetu i magnetnim tijelime, i o Velikom magnetu - Zemlji). U ovom radu opisao je mnoge njegove eksperimente sa modelom zemlje nazvanim terrella. Iz ovih eksperimenata, on je zaključio da je Zemlja sama po sebi magnetna i da je ovo razlog zašto kompas pokazuje prema sjeveru (prethodno, neki su vjerovali da se to dešava zbog polarne zvijeze (Polaris) ili velikog magnetnog otoka na sjevernom polu koji je privlačio kompas).

Razumijevanje odnosa između elektriciteta i magnetizma je počelo 1819. godine sa radom Hans Christian Ørsteda, profesora na Universitu Kopenhagena, koji je više-manje slučajno otkrio da struja može utjecati na iglu kompasa. Ovaj znameniti eksperiment je poznat kao Ørstedov eksperiment. Slijedilo je nekoliko drugih eksperimenata, André-Marie Ampèrea, koji je 1820. godine otkrio da je magnetno polje koje kruži po zatvorenoj putanji povezano sa strujom koja teče kroz obim putanje; Carl Friedrich Gaussa; Jean-Baptiste Biota i Félix Savarta, dvojica koja su 1820. godine došli do Biot-Savartovog zakona koji daje jedančinu za magnetno polje žice koja provodi struju; Michael Faradaya, koji je 1831. godine otkrio da vremenski varirajući magnetni fluks kroz petlju žica inducira napon, i druge pronalaske daljnje veze između magnetizma i elektriciteta. James Clerk Maxwell je povezao i proširio ove uvide u Maxwellove jednačine, ujedinjujući elektricitet, magnetizam, i optiku u oblast zvanu elektromagnetizam. 1905. godine, Einstein je koristio ove zakone u motiviranju svojih teorija posebne relativnosti, što je zahtjevalo da su zakoni tačni u svim inercijalno referentnim okvirima.

Elektromagnetizam se nastavio razvijati u 21. stoljeću, tako što je uključen u više fundamentalnih teorija kao što su gauge teorija, kvantna elektrodinamika, elektroslaba teorija, te na kraju i standardni model.

Magnetizam, kao i njegovi korijeni, dolazi iz dva izvora:

1. Električna struja (pogledaj Magnetni moment elektrona).
2. Nuklearni magnetni momenti atomskog jezgra. Ovi momenti su tipično stotinu puta manji od magnetnih momenata elektrona, tako da su zanemarivi u kontekstu magnetizacije materijala. Nuklearni magnetni momenti su važniji u drugim kontekstima, posebno u nuklearnoj magnetnoj rezonanci (NMR) i magnetnoj rezonanci (MR).

U vakuumu,

${\displaystyle \mathbf {B} \ =\ \mu _{0}\mathbf {H} ,}$ 

gdje je μ₀ permeabilnost vakuuma.

U materijalima,

${\displaystyle \mathbf {B} \ =\ \mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M} ).\ }$ 

Veličina μ₀M se naziva magnetna polarizacija.

Ukolijko je polje H malo, reakcija magnetizacije M u dijamagnetu ili paramagnetu je približno linearna:

${\displaystyle \mathbf {M} =\chi \mathbf {H} ,}$ 

konstanti proporcionalnosti koja se naziva magnetna podložnost. Ako je to slučaj,

${\displaystyle \mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M} )\ =\ \mu _{0}(1+\chi )\mathbf {H} \ =\ \mu _{r}\mu _{0}\mathbf {H} \ =\ \mu \mathbf {H} .}$ 

U čvrstom magnetu kao što je feromagnet, M nije proporcionalno polju i genrealno različito je od nule kada je H nula (pogledaj Remanentnost).

SI jedinice povezane sa magnetizmom

SI jedinice elektromagnetizma
Simbol	Ime velčine	Izvedena jedinica	Pretvaranje međunarodnih u osnovne SI jedinice
I	Električna struja	amper (osnovna SI jedinica)	${\displaystyle \mathrm {A=C\ s^{-1}} }$
q	Električni naboj	kulon	${\displaystyle \mathrm {C=A\ s} }$
${\displaystyle U,\ \Delta V,\ \Delta \phi ,\ \mathrm {E} }$	Razlika potencijala; Elektromotorna sila	volt	${\displaystyle \mathrm {V=J\ C^{-1}=kg\ A^{-1}m^{2}s^{-3}} }$
${\displaystyle R;\ \mathrm {Z} ;\ \mathrm {X} }$	Električni otpor; Impedanca; Reaktancija	om	${\displaystyle \mathrm {\Omega =V\ A^{-1}=kg\ m^{2}\ A^{-2}s^{-3}} }$
${\displaystyle \ \rho }$	Otpornost	om metar	${\displaystyle \mathrm {\Omega \ m=kg\ A^{-2}m^{3}s^{-3}} }$
${\displaystyle \ \mathrm {P} }$	Električna snaga	vat	${\displaystyle \mathrm {W=V\ A=kg\ m^{2}s^{-3}} }$
${\displaystyle \ C}$	Kapacitet	farad	${\displaystyle \mathrm {F=C\ V^{-1}=A^{2}kg^{-1}m^{-2}s^{4}} }$
${\displaystyle \mathbf {\mathrm {E} } }$	Jačina električnog polja	volt po metru	${\displaystyle \mathrm {V\ m^{-1}=C^{-1}N=kg\ A^{-1}m\ s^{-3}} }$
${\displaystyle \mathbf {D} }$	Polje električnog pomaka	kulon po kvadratnom metru	${\displaystyle \mathrm {C\ m^{-2}=A\ m^{-2}s} }$
${\displaystyle \varepsilon }$	Permitivnost	farad po metru	${\displaystyle \mathrm {F\ m^{-1}=A^{2}kg^{-1}m^{-3}s^{4}} }$
${\displaystyle \!\chi _{e}}$	Električna susceptibilnost	Bezdimenzionalno
${\displaystyle \mathrm {B} ;\ G;\ \Upsilon }$	Provodljivost; Admitansa; Susceptansa	simens	${\displaystyle \ \mathrm {S=\Omega ^{-1}=kg^{-1}A^{2}m^{-2}s^{3}} }$
${\displaystyle \gamma ,\ \kappa ,\ \sigma }$	Provodnost	simens po metru	${\displaystyle \mathrm {S\ m^{-1}=A^{2}kg^{-1}m^{-3}s^{3}} }$
${\displaystyle \ \mathbf {B} }$	Gustina magnetnog fluksa, Magnetna indukcija	tesla	${\displaystyle \mathrm {T=Wb\ m^{-2}=kg\ A^{-1}s^{-2}} }$
${\displaystyle \ \Phi }$	Magnetni fluks	veber	${\displaystyle \mathrm {Wb=V\ s=kg\ A^{-1}m^{2}s^{-2}} }$
${\displaystyle \mathbf {H} }$	Jačina magnetnog polja	amper po metru	${\displaystyle \mathrm {A\ m^{-1}} }$
${\displaystyle L,\ \mathrm {M} }$	Induktivnost	henri	${\displaystyle \mathrm {H=Wb\ A^{-1}=V\ A^{-1}s=kg\ A^{-2}m^{2}s^{-2}} }$
${\displaystyle \ \mu }$	Permeabilnost	henri po metru	${\displaystyle \mathrm {Hm^{-1}=kg\ A^{-2}m\ s^{-2}} }$
${\displaystyle \ \chi }$	Magnetna susceptibilnost	Bezdimenzionalno

Ostale jedinice

• gaus – gaus je jedinica magnetnog polja u CGS sistemu jedinica (oznaka B).
• ersted – ersted je CGS jedinica magnetizovanog polja (oznaka H).
• maksvel – maksvel je CGS jedinica magnetnog fluksa.
• gamma – je jedinica gustine magnetnog polja koja se koristila prije nego što je tesla došao u upotrbu (1.0 gamma = 1.0 nanotesla)
• μ₀ – simbol za permeabilnost slobodnog prostora (4π×10⁻⁷ njutn/(amper-zavoj)²).

• Magnetar