thumb|Sauvamagneetin magneettikentän ”voimaviivat” näkyvät rautajauheen sijoittumisessa paperille.

Magnetismi on fysikaalinen ilmiöluokka, joihin liittyvät voimat vaikuttavat magneettisten kappaleiden sekä sähkövirtojen ja liikkuvien sähkövarausten välillä. Magneettisissa ilmiöissä kappale vaikuttaa toiseen kappaleeseen veto- tai poistovoimalla. Tunnetuin magneettinen ilmiö on ferromagnetismiin liittyvä kestomagneettien kyky vetää puoleensa lähellä olevia rautaesineitä. Magnetismi liittyy läheisesti sähköön ja se on osa sähkö­magneettista vuoro­vaikutusta. Sähkömagneettinen säteily kuten valo on sähkö- ja magneettikentän värähtelyä.

Magneettikentällä on vaikutus kaikkiin kappaleisiin, mutta vaikutuksen voimakkuus vaihtelee huomattavasti. Voimakkaasti magneettisia kappaleita kutsutaan magneeteiksi. Sellaisia voidaan valmistaa ferromagneettisista aineista, joita ovat rauta, nikkeli ja koboltti sekä näiden seokset.

Historia

thumb|Eräissä lääketieteelisissä toimenpiteissä käytettiin aikoinaan magneettisia harjoja. Charles Jacquen piirros vuodelta 1843. Aristoteleen välittämien tietojen mukaan magnetismia tutki tarkemmin ensimmäisenä Thales, joka eli noin vuosina 625–545 eaa. Kuitenkin jo suunnilleen samoihin aikoihin myös Intiassa Sushruta käytti ensimmäisenä magneetteja kirurgisiin tarkoituksiin.

Sana magneetti () johtuu Vähän-Aasian muinaisen Magnesian kaupungista, jonka läheisyydestä löydettiin magneettista malmia, magnetiittia. Vanhalla ja keskiajalla magneeteilla uskottiin yleisesti olevan maagisia ja tauteja parantavia ominaisuuksia.

Kiinassa varhaisimmat kirjalliset tiedot magnetismista ovat 300-luvulta eaa. peräisin olevasta, tekijänsä mukaan nimetystä teoksesta Demonien laakson valtias (鬼谷子). Siinä mainitaan magneettiset kivet, jotka saavat raudan tulemaan luokseen tai vetävät sitä puoleensa. Ensimmäinen maininta neulaan kohdistuvasta voimasta on vuosien 20 ja 100 jaa. välillä laaditussa teoksessa Louen-heng. Magneettisesta kompassista kirjoitti ensimmäisenä kiinalainen tiedemies Shen Kuo (1031–1095), jonka mainitsi myös sen käyttö­kelpoisuuden navigaatiossa ja että sen avulla voitiin määrittää tähti­tieteellinen todellinen pohjois­suunta. Magneettisen kompassin käyttö navigointiin yleistyikin Kiinassa jo 1100-luvulla. Magneettineula kiinnitettiin kehikkoon tuolloin niin päin, että neula aina osoitti etelään.

Euroopassa kompassia ja sen käyttöä navigoinnissa kuvasi ensimmäisenä Alexander Neckam noin vuonna 1187. Vuonna 1269 Petrus Petegrinus kirjoitti teoksen Epistola de magnete, jossa magneettien ominaisuuksia ensimmäisen kerran kuvattiin laajasti. Vuonna 1282 magneettien ja kompassin ominaisuuksista kirjoitti laajasti islamilainen fyysikko, tähtitieteilijä ja maantieteilijä Al-Ashraf. thumb|upright=0.75|Michael Faraday, 1842

Vuonna 1600 tähtitieteilijä William Gilbert julkaisi teoksensa De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (”Magneeteista, magneettisista kappaleista sekä suuresta magneetista, Maasta”). Siinä hän kuvasi monia koetuloksiaan terrellaksi nimittämällään Maan mallilla. Koetulostensa perusteella hän päätteli, että Maa itse on magneettinen ja että juuri siitä syystä kompassineula osoittaa pohjoiseen. Aikaisemmin ilmiön syyksi oli arveltu, että Pohjantähti olisi voimakkaasti magneettinen tai että pohjois­navalla olisi suuri magneettinen saari, joka vetäisi kompassin­neulaa puoleensa.

Miten sähkö ja magnetismi liittyvät toisiinsa, selvisi vähitellen sen jälkeen, kun Kööpenhaminan yliopiston professori Hans Christian Ørsted vuonna 1819 miltei vahingossa havaitsi, että sähkövirta vaikuttaa lähellä olevan kompassin neulaan. Seuraavana vuonna Jean-Baptiste Biot ja Félix Savart julkaisivat Biot’n ja Savartin lain, joka osoittaa sähkövirtaa ympäröivän magneettikentän riippuvuuden etäisyydestä johtimesta, ja André-Marie Ampère totesi sähkö­virtojen välisen voima­vaikutuksen. Samaan aikaan François Arago havaitsi, että sähkövirran avulla on myös mahdollista magnetoida lähellä olevia rauta­kappaleita. Michael Faraday totesi vuonna 1831, että virta­silmukan läpäisevä, ajallisesti muuttuva magneetti­kenttä indusoi johtimeen jännitteen. Hän ja muut löysivät myös muita yhteyksiä sähkön ja magnetismin välillä. Lopulta James Clerk Maxwell kokosi tutkimus­tulokset yhtenäiseksi sähkömagnetismin teoriaksi, ja hänen muotoilemansa Maxwellin yhtälöt muodostavat sekä sähköopin, magnetismin että optiikan perustan. Näistä yhtälöistä tuli myöhemmin myös yksi lähtö­kohta, jonka pohjalta Einstein vuonna 1905 kehitti erityisen suhteellisuus­teorian, jonka mukaan nämä lait pätevät kaikissa inertiaalijärjestelmissä.

Jo Ampère esitti vuonna 1820, että aineiden magneettiset ominaisuudet aiheutuisivat jonkinlaisista atomeja tai molekyylejä kiertävistä sähkövirroista. Näiden virtojen luonne oli kuitenkin epäselvä siihen saakka, kunnes atomin rakenne 1900-luvun alkupuolella selvitettiin.

Sähkömagnetismin teorian kehitys on jatkunut vielä 2000-luvulla, ja se on liittynyt perustavampiin fysikaalisiin teorioihin kuten mittakenttäteorian, kvanttielektrodynamiikkaan, sähköis­heikon vuoro­vaikutuksen teoriaan ja lopulta standardimalliin.

Magneettinen kenttä ja voima

Magneettisen vuorovaikutuksen välittää magneettikenttä. Sähkövirta tai magneettinen dipoli synnyttää magneettikentän ja magneettikenttä aiheuttaa kentässä oleviin kappaleisiin voiman. Maxwellin yhtälöt antavat erinomaisen likiarvon näiden kenttien syntymisestä ja käyttäytymisestä. Ne jättävät huomiotta joitakin kvanttisähködynamiikassa huomioon otettavia kvantti-ilmiöitä. Maxwellin yhtälöt yksinkertaistuvat Biotin-Savartin laiksi, kun kyseessä on tasainen sähkövirta. Magneettiset ilmiöt syntyvät siis sähkövarauksen liikkeestä (esimerkiksi sähkövirrasta johtimessa tai johtimen liikuttamisesta), joissain tapauksissa myös elektronin liikkeestä atomissa tai magneettisten dipolien sisältämien elektronien spineistä. Vastaavasti ajallisesti muuttuva magneettikenttä saa aikaan sähkömotorisen voiman johteeseen. Sähkön ja magnetismin yhteyteen - sähkömagnetismiin - perustuu muuntajien, sähkömoottorien ja -generaattorien toiminta.

Pitkää tasavirtajohdinta ympäröivää magneettikenttää kuvaa Biot’n ja Savartin laki, jonka mukaan magneettivuon tiheys on kääntäen verrannollinen etäisyyteen johtimesta:

missä on yleinen magneettivakio, I sähkövirta ja r etäisyys johtimesta.

Kun varattu hiukkanen liikkuu magneettikentässä , siihen vaikuttaa voima , joka saadaan ristitulosta:

missä on hiukkasen sähkövaraus, on hiukkasen nopeusvektori ja on magneettikenttä.

Koska kyseessä on ristitulo, voima on kohtisuora sekä hiukkasen liikkeeseen että magneetti­kenttään. Täten magneettinen voima ei tee työtä kappaleeseen. Se voi muuttaa hiukkasen suuntaa mutta ei hidastaa tai nopeuttaa sitä. Magneettikentässä liikkuvalla hiukkasella on keskeiskiihtyvyyttä. Kiihtyvässä liikkeessä oleva varattu hiukkanen menettää energiaa säteilynä. Ilmiötä hyödynnetään muun muassa synkrotroneissa.

Voiman suuruus on

missä on vektoreiden ja välinen kulma.

Yksinkertainen tapa nopeuden, magneettikentän ja voiman suunnan löytämiseksi on niin kutsuttu oikean käden sääntö. Siinä peukalo, etusormi ja keskisormi asetetaan osoittamaan kohti­suorasti toisiaan vastaan. Magneettikenttä (B) osoittaa keskisormen suuntaan ja hiukkasen nopeus (v) etusormen suuntaan. Voima (F) osoittaa tällöin peukalon suuntaan, jos hiukkanen on positiivisesti varautunut. Negatiivisesti varautuneen hiukkasen tapauksessa voima osoittaa vastakkaiseen suuntaan.

Magnetismin alkuperä

Viime kädessä kaikki magnetismi aiheutuu joko sähkövarauksellisten hiukkasten liikkeestä tai alkeishiukkasten spinistä ja siihen liittyvästä magneettisesta momentista.

Elektronien magneettinen momentti on yleensä tuhansia kertoja suurempi kuin atomiydinten, minkä vuoksi viimeksi mainittuja ei juuri tarvitse ottaa huomioon tutkittaessa eri aineiden magnetoitumista. Atomiytimien magneettisella momentilla on kuitenkin keskeinen merkitys ydinmagneettissa resonanssissa (NMR) ja siihen perustuvassa magneetti­kuvauksessa (MRI).

Klassisesti ajateltuna elektroni kiertää atomiydintä, ja sitä voidaan pitää virta­silmukkana, josta seuraa kierto­liikkeestä aiheutuva magneettinen dipolimomentti. Toinen, huomattavasti voimakkaampi magneettisuuden lähde on elektronien spinistä aiheutuva spin­magneetti­dipoli­momentti. Kvanttimekaniikan mukaan elektronin liike ytimen ympäri tai elektronin pyöriminen ei ole kuitenkaan liikettä klassisessa mielessä.

Tavallisesti aineessa olevat lukemattomat elektronit ovat järjestyneet sillä tavalla, että niiden sekä spinistä että rataliikkeestä aiheutuvat kumoavat toistensa vaikutuksen. Osittain tämä johtuu siitä, että elektronit ryhmittyvät pareiksi, joihin kuuluvilla eketroneilla Paulin kieltösäännön mukaisesti on vastakkaiset spinit, tai ne täyttävät tietyt orbitaalit kokonaan niin, että samalla orbitaalilla olevien elektronien magneettiset momentit kumoavat toisensa. Kummassakin tapauksessa elektronien magnetismi kumoutuu atomin ulkopuolella kokonaan. Silloinkin kun atomin elektronikonfiguraatiossa on parittomia elektroneja tai vajaasti täytettyjä alikuoria ja atomilla näin ollen on magneettinen momentti, eri atomien magneettiset momentit kiinteässä aineessa osoittavat satunnaisesti eri suuntiin ja kumoavat toisensa, eikä aine näin ollen ole magneettista.

Kuitenkin joskus, joko spontaanisti tai ulkoisen magneettikentän vaikutuksesta, suurella osalla elektroneista on kutakuinkin samansuuntainen magneettinen momentti. Tällöin aine voi saada aikaan nollasta nettomääräisesti poikkeavan magneettikentän, joka voi olla voimakas.

Edellä kerrotuista syistä aineen magneettiset ominaisuudet riippuvat sen rakenteesta, varsinkin sen elektronikonfiguraatiosta, sekä myös lämpötilasta. Korkeissa lämpötiloissa lämpöliike vaikeuttaa elektronien pysymistä sellaisessa järjestyksessä, että niiden magneettiset momentit ovat samansuuntaiset.

Aineiden magneettiset ominaisuudet

Kun aine on ulkoisessa magneettikentässä, kenttä joko vahvistuu tai heikkenee. Tämän ilmiön voimakkuutta kuvaa aineen suhteellinen permeabiliteetti. Useimmilla aineilla se on lähellä arvoa 1, eli ne vaikuttavat kenttään vain heikosti. Diamagneettisilla aineilla se suhteellinen permeabiliteetti on hieman pienempi kuin 1, eli ne heikentävät kenttää jonkin verran, kun taas para­magneettisilla aineilla se on hieman suurempi kuin 1 eli ne hieman voimistavat kenttää. Ferro­magneettisten aineiden vaikutuksesta magneettikenttä voimistuu jopa monituhatkertaiseksi. Lisäksi kestomagneetti hylkii heikosti diamagneettisia ja vetää heikosti puoleensa paramagneettisia aineita.

Klassisista teorioista kuitenkin seuraisi, ettei mitään näistä magnetismin muodoista voisi esiintyä. Niiden selittäminen aineen rakenteen perusteella edellyttääkin kvanttimekaniikkaa.

Diamagnetismi

Diamagnetismi aiheutuu aineen pyrkimyksestä vastustaa ulkoisen magneetti­kentän vaikutusta, minkä vuoksi kenttä työntää sitä luotaan. Diamagnetismia esiintyy kaikissa aineissa. Kuitenkin niissä aineissa, joissa esiintyy myös paramagnetismia, viimeksi mainittu on voimakkaampaa. Sen vuoksi diamagneettisuus onkin havaittavissa vain niissä aineissa, joissa muita magnetismin muotoja ei esiinny. Tällaisissa aineissa ei ole parittomia elektroneja, minkä vuoksi elektronien spinmagneettiset momentit eivät voi vahvistaa toisiaan. Näissä tapauksissa magnetoituminen aiheutuu elektronien rataliikkeestä.