Magneettikentät ovat kiehtoneet tutkijoita ja maallikoita jo vuosisatojen ajan. Magneettikenttien tutkiminen on johtanut luonnon peruslakien syvällisempään ymmärtämiseen ja lukemattomien nykyaikaisten mukavuuksien kehittämiseen aina varhaisimmista havainnoista, jotka koskivat rautaesineitä puoleensa vetäviä lodestoneja, magneettisten materiaalien ja tekniikoiden viimeisimpiin saavutuksiin.
Tämä artikkeli vie sinut matkalle magneettikenttien tieteen pariin, niiden perusperiaatteista tämän jännittävän alan huippututkimukseen, joka on kehittänyt tämän jännittävän alan rajoja. Tutustumme magnetismin perusteisiin, magneettisten materiaalien ominaisuuksiin ja eri tapoihin, joilla magneettikenttiä tuotetaan ja hyödynnetään käytännön sovelluksissa. Tutustumme myös magneettisten ilmiöiden eksoottisempiin osa-alueisiin, kuten suprajohtavuuteen, kvanttimagnetismiin ja uusien materiaalien etsintään, joilla on poikkeuksellisia magneettisia ominaisuuksia.
Magnetismin perusteet
Magnetismi on aineen perusominaisuus, joka syntyy sähkövarausten liikkeestä. Tutuimpia esimerkkejä magnetismista ovat magneettien vastakkaisten napojen välinen vetovoima ja samankaltaisten napojen välinen hylkiminen. Magneetit ovat esineitä, joilla on magneettinen nettomomentti, mikä tarkoittaa, että niiden muodostavien atomien tai molekyylien magneettiset momentit ovat suuntautuneet tiettyyn suuntaan.
Magneetin magneettinen momentti on vektorisuuruus, jolla on sekä suuruus että suunta. Magneettimomentin suunta määritetään tyypillisesti magneettimomenttivektorilla, joka osoittaa magneetin etelänavasta pohjoisnapaan. Magneettimomentin suuruus on verrannollinen magneetin magneettikentän voimakkuuteen.
Magneettikenttä on näkymätön voimakenttä, joka ympäröi magnetoituja esineitä ja magneettisia materiaaleja. Se on vastuussa veto- ja hylkivistä voimista, joita muut magneetit tai ferromagneettiset materiaalit kokevat läheisyydessä. Magneettikentän linjojen suunta voidaan havainnollistaa käyttämällä oikean käden sääntöä: jos kietaiset sormesi magneetin ympärille sen magneettisen momentin suuntaan, peukalosi osoittaa kentän linjojen suuntaan.
Magneettikentän yhtälö
Magneetin tai virtaa kuljettavan johtimen synnyttämä magneettikenttä voidaan kuvata matemaattisesti Biot-Savartin lailla, joka suhteuttaa magneettikentän voimakkuuden pisteessä avaruudessa virran tiheyteen ja etäisyyteen lähteestä. Biot-Savartin laki voidaan ilmaista seuraavasti:
B = μ0/4π \* ∫ Idl × r/r^3
Missä:
* B on magneettikentän voimakkuus pisteessä, joka on yksikkövektorin r suunnassa.
* μ0 on tyhjiön permeabiliteetti (noin 4π × 10^-7 H/m).
* I on virrantiheys (virta pinta-alayksikköä kohti).
* dl on virtaa kuljettavan johdon äärettömän pieni elementti
* r on sijaintivektori kiinnostuksen kohteena olevasta pisteestä langan äärettömän pieneen elementtiin.
Biot-Savartin laki on sähkömagnetismin perusyhtälö, ja se muodostaa perustan magneettikenttien käyttäytymisen ymmärtämiselle eri tilanteissa.
Magneettiset materiaalit
Magneettiset materiaalit ovat aineita, jotka voidaan magnetoida, eli ne voivat magnetoitua ulkoisen magneettikentän vaikutuksesta ja säilyttää jonkinasteisen magnetoitumisensa, kun ulkoinen kenttä poistetaan. Yleisin magneettisen materiaalin tyyppi on ferromagneettinen materiaali, johon kuuluvat metallit, kuten rauta, nikkeli ja koboltti.
Ferromagnetismi syntyy materiaalin yksittäisten atomien magneettisten momenttien suuntautumisesta. Ferromagneettisissa materiaaleissa viereisten atomien magneettiset momentit pyrkivät suuntautumaan samaan suuntaan, jolloin syntyy tasaisen magnetoitumisen alueita, joita kutsutaan domeeneiksi. Kun ulkoinen magneettikenttä kytketään päälle, domainit suuntautuvat uudelleen minimoidakseen magneettikentän ylläpitämiseen tarvittavan energian, jolloin materiaali magnetoituu.
Magneettinen hystereesi
Kun ferromagneettiseen materiaaliin kohdistetaan vaihteleva ulkoinen magneettikenttä, sen magnetoituminen noudattaa ominaiskäyrää, jota kutsutaan hystereesisilmukaksi. Hystereesisilmukalle on ominaista kaksi tärkeää parametria: kyllästysmagnetoituminen (Ms) ja remanenttinen magnetoituminen (Mr).
Kyllästysmagnetoituminen on suurin magnetoituminen, jonka materiaali voi saavuttaa voimakkaan ulkoisen magneettikentän vaikutuksesta. Remanenttinen magnetoituminen on magnetoituminen, joka jää materiaaliin ulkoisen kentän poistamisen jälkeen. Ms:n ja Mr:n välinen ero tunnetaan magneettisena hystereesihäviönä, joka on verrannollinen hystereesisilmukan ympäröimään pinta-alaan.
Muut magnetismin tyypit
Ferromagnetismi on yleisin ja tutuin magnetismin muoto, mutta on olemassa muitakin magnetismityyppejä, jotka syntyvät eri mekanismeilla. Tällaisia ovat mm:
* Paramagnetismi: Paramagnetismi: Paramagnetismi on heikko magneettisuuden muoto, jota esiintyy materiaaleissa, joiden atomi- tai molekyyliorbitaaleissa on parittomia elektroneja. Ulkoisen magneettikentän läsnä ollessa parittomat elektronit suuntautuvat kentän mukaan, jolloin materiaali magnetoituu heikosti. Yleisiä paramagneettisia materiaaleja ovat alumiini, happi ja jotkin siirtymämetallien kompleksit.
* Diamagnetismi: Diamagnetismi: Diamagnetismi on vielä heikompi magneettisuuden muoto, jota esiintyy jossain määrin kaikissa materiaaleissa. Se syntyy elektronien liikkeestä atomiradoillaan ulkoisen magneettikentän vaikutuksesta. Syntyvä magneettinen momentti on vastakkainen sovelletulle kentälle, mikä saa aikaan sen, että materiaali hylkii heikosti kenttää. Yleisiä diamagneettisia materiaaleja ovat kupari, kulta ja useimmat epämetallit.
* Antiferromagnetismi: Antiferromagnetismi: Antiferromagnetismi on magneettisuuden tyyppi, jota esiintyy materiaaleissa, joissa vierekkäiset magneettiset momentit kohdistuvat vastakkaisiin suuntiin, jolloin nettomagneettimomentti on nolla. Antiferromagneettiset materiaalit eivät yleensä ole magneettisesti järjestäytyneitä korkeissa lämpötiloissa, mutta ne voivat käydä läpi faasimuutoksen järjestäytyneeseen tilaan matalammissa lämpötiloissa. Esimerkkejä antiferromagneettisista materiaaleista ovat mangaanioksidi (MnO) ja kromi(III)oksidi (Cr2O3).
Magneettikenttien tuottaminen
Magneettikenttiä voidaan tuottaa monin eri tavoin sovelluksesta ja halutusta kentän voimakkuudesta ja suunnasta riippuen. Joitakin yleisiä menetelmiä magneettikenttien tuottamiseksi ovat mm:
1. Kestomagneetit
Kestomagneetit ovat materiaaleja, joilla on magneettinen nettomomentti niiden omien magneettisten ominaisuuksien vuoksi. Ne voidaan valmistaa ferromagneettisista materiaaleista, kuten neodyymistä, samariumista tai ferriitistä, jotka magnetoituvat valmistusprosessin aikana ja säilyttävät magnetoitumisensa loputtomiin. Kestomagneetteja käytetään monenlaisissa sovelluksissa, yksinkertaisista magneeteista, joita käytetään muistiinpanojen pitämiseen jääkaapissa, kehittyneempiin sovelluksiin, kuten sähkömoottoreihin, generaattoreihin ja kaiuttimiin.
2. Sähkömagneetit
Sähkömagneetit ovat laitteita, jotka käyttävät sähkövirtaa magneettikentän tuottamiseen. Ne koostuvat langasta (solenoidi), joka on kiedottu ferromagneettisen ytimen ympärille, joka voidaan valmistaa esimerkiksi raudasta tai teräksestä. Kun sähkövirta johdetaan solenoidin läpi, kelan ympärille syntyy magneettikenttä. Kentän suunta voidaan kääntää kääntämällä virran suunta.
Sähkömagneetteja käytetään laajalti sovelluksissa, joissa tarvitaan säädettäviä tai kytkettäviä magneettikenttiä, kuten sähkömoottoreissa, solenoideissa, releissä ja magneettilevitysjärjestelmissä (Maglev).
3. Suprajohtavat magneetit
Suprajohtavat magneetit ovat erityyppisiä sähkömagneetteja, jotka hyödyntävät suprajohteiden ainutlaatuisia ominaisuuksia erittäin voimakkaiden magneettikenttien tuottamiseen. Suprajohteet ovat materiaaleja, joiden sähköinen resistanssi on nolla ja jotka ovat täydellisesti diamagneettisia suprajohtavaksi siirtymälämpötilaksi (Tc) kutsutun kriittisen lämpötilan alapuolella. Kun virta johdetaan suprajohtavan silmukan tai kelan (suprajohtavan solenoidin) läpi, virran synnyttämä magneettikenttä poistuu silmukan sisältä diamagneettisen vaikutuksen vuoksi. Tämä Meissner-ilmiönä tunnettu ilmiö johtaa erittäin voimakkaan magneettikentän syntymiseen suprajohtavan kelan ympärille.
Suprajohtavia magneetteja käytetään monissa sovelluksissa, joissa tarvitaan erittäin vahvoja ja vakaita magneettikenttiä, kuten hiukkaskiihdyttimissä, kuten suuressa hadronitörmäyttimessä (LHC), magneettikuvauslaitteissa (MRI) ja fuusioenergiatutkimuksessa.
Magneettikenttien sovellukset
Magneettikentillä on monenlaisia sovelluksia eri aloilla jokapäiväisestä käytöstä huippututkimukseen. Yleisimpiä sovelluksia ovat mm:
1. Sähkömoottorit ja generaattorit
Sähkömoottorit ja -generaattorit perustuvat magneettikenttien ja sähkövirtojen vuorovaikutukseen mekaanisen energian muuntamisessa sähköenergiaksi. Sähkömoottorissa virtaa kuljettava kela (ankkuri) saa magneettikenttään joutuessaan aikaan vääntömomentin, joka saa sen pyörimään. Tätä pyörimistä käytetään sitten mekaanisten kuormien, kuten puhaltimien, pumppujen tai koneiden käyttämiseen.
Generaattorissa prosessi on päinvastainen. Pyörivä magneetti (roottori) on sijoitettu paikallaan olevaan kelaan (staattori), jolloin kelaan syntyy vaihtovirta, kun magneettikenttä leikkaa johtimia. Tämä indusoitu virta voidaan sitten valjastaa tuottamaan sähköä.
2. Magneettiset tallennusvälineet
Magneettiset tallennusvälineet, kuten kiintolevyt, levykkeet ja magneettinauhat, perustuvat magneettisten materiaalien kykyyn säilyttää magneettista tietoa. Tiedot tallennetaan näille tietovälineille magnetoimalla tai demagnetoimalla pieniä alueita (bittejä) ferromagneettisen materiaalin pinnalla. Kunkin bitin magnetoituminen voidaan havaita johtamalla pieni virta tietovälineen läheisyydessä olevan lukupään läpi, johon kohdistuu bittien magneettikentästä johtuva voima.
Vaikka magneettisia tallennusvälineitä on käytetty laajalti vuosikymmeniä, ne on vähitellen korvattu monissa sovelluksissa kiinteän tilan tallennustekniikoilla, kuten flash-muistilla ja SSD-asemilla (solid-state drives), koska niiden tiedonsiirtonopeudet ovat suurempia, virrankulutus on alhaisempaa ja ne kestävät mekaanisia iskuja.
3. Magneettinen Levitaatio
Magneettinen leijunta eli Maglev on tekniikka, jossa magneettikenttiä käytetään esineiden ripustamiseen ja liikuttamiseen ilman suoraa mekaanista kosketusta. Maglev-järjestelmissä käytetään tyypillisesti suprajohtavia magneetteja vahvojen ja vakaiden magneettikenttien tuottamiseksi.
Maglev-teknologiaa on ehdotettu käytettäväksi useissa eri sovelluksissa, kuten suurnopeusliikennejärjestelmissä, joissa se tarjoaa mahdollisuuden vähentää kitkaa ja kulumista, mikä johtaa suurempiin nopeuksiin, pienempään energiankulutukseen ja hiljaisempaan toimintaan verrattuna perinteisiin pyörillä varustettuihin juniin. Tarvittavan infrastruktuurin kehittämisen ja ylläpidon korkeat kustannukset ovat kuitenkin rajoittaneet Maglev-teknologian laajamittaista käyttöönottoa kaupallisessa liikenteessä.
4. Magneettiset materiaalit lääketieteessä
Magneettimateriaaleilla ja -teknologioilla on merkittävä rooli erilaisissa lääketieteellisissä sovelluksissa, kuten diagnostisessa kuvantamisessa, terapeuttisissa laitteissa ja lääkkeiden annostelussa.
* Magneettikuvaus (MRI): MRI on ei-invasiivinen lääketieteellinen kuvantamistekniikka, jossa käytetään voimakkaita suprajohtavia magneetteja tuottamaan voimakas magneettikenttä, joka kohdistaa protonit kehon kudoksissa. Tämän jälkeen käytetään radiotaajuuspulsseja, jotka häiritsevät kohdistettuja protoneja ja saavat ne lähettämään signaaleja, jotka voidaan havaita ja käsitellä yksityiskohtaisten kuvien luomiseksi sisäelimistä ja kudoksista.
* Magneettiset nanohiukkaset: Magneettiset nanohiukkaset (MNP) ovat ferromagneettisista tai paramagneettisista materiaaleista valmistettuja nanometrin kokoisia hiukkasia. Niitä on tutkittu erilaisiin biolääketieteellisiin sovelluksiin, kuten kohdennettuun lääkkeiden annosteluun, syövän magneettiseen hypertermiahoitoon ja magneettikuvauksen kontrastiaineiksi.
* Magneettiproteesit: Magneettisia materiaaleja käytetään myös proteesien ja muiden lääkinnällisten laitteiden kehittämisessä, jossa niitä voidaan käyttää tuottamaan hallittua voimaa ja vääntömomenttia liikettä ja manipulointia varten.
Magneettitutkimuksen rajat
Vaikka magneettikenttiä ja niiden sovelluksia tunnetaan laajasti, alalla on vielä monia avoimia kysymyksiä ja aktiivisen tutkimuksen aloja. Joitakin magneettitutkimuksen jännittävimpiä alueita ovat muun muassa seuraavat:
1. Korkean lämpötilan suprajohtavuus
Suprajohtavuus on ilmiö, jossa tietyillä materiaaleilla on nollasähkövastus ja täydellinen diamagnetismi, kun ne jäähdytetään alle kriittisen lämpötilan. Perinteiset suprajohteet vaativat erittäin alhaisia lämpötiloja (lähellä absoluuttista nollaa) suprajohtavuuden saavuttamiseksi, mutta korkean lämpötilan suprajohteiden löytyminen 1980-luvulla avasi uusia mahdollisuuksia käytännön sovelluksiin.
Korkean lämpötilan suprajohteet (HTS) ovat materiaaleja, jotka voivat olla suprajohtavia nestemäisen typen kiehumispistettä (77 K eli -196 °C) korkeammissa lämpötiloissa, jolloin niitä on helpompi jäähdyttää ja pitää suprajohtavassa tilassa. Korkean lämpötilan suprajohtavuuden taustalla oleva mekanismi tunnetaan kuitenkin edelleen huonosti, ja suuri osa tutkimuksesta keskittyy uusien HTS-materiaalien kehittämiseen, joilla on vielä korkeampi kriittinen lämpötila ja paremmat ominaisuudet.
2. Spintroniikka
Spintroniikka eli spin-elektroniikka on nouseva ala, jolla pyritään hyödyntämään elektronien varauksen lisäksi myös niiden luontaista spin-ominaisuutta seuraavan sukupolven elektronisten laitteiden ja tietojen tallennustekniikoiden kehittämiseksi. Spintroniikkalaitteissa hyödynnetään spin-magneettista vuorovaikutusta elektronien spin-tilojen manipuloimiseksi ja hallitsemiseksi, minkä avulla voidaan koodata ja käsitellä tietoa.
Eräitä lupaavia spintronisia laitteita ja ilmiöitä ovat esimerkiksi spin-transistorit, spin-venttiilit, spin-momenttimuisti ja spintroniset logiikkaportit. Spintronisilla laitteilla on mahdollista saavuttaa suurempia tallennustiheyksiä, nopeampia tiedonsiirtonopeuksia ja alhaisempaa virrankulutusta verrattuna perinteisiin puolijohdepohjaisiin laitteisiin.
3. Kvanttimagnetismi
Kvanttimagnetismi on nopeasti kehittyvä ala, jolla tutkitaan magneettisten materiaalien ja järjestelmien käyttäytymistä kvanttitasolla. Tällä tutkimusalalla yhdistetään kondensoituneen aineen fysiikan, kvanttimekaniikan ja materiaalitieteen käsitteitä, jotta voidaan ymmärtää ja manipuloida magneettisten materiaalien ainutlaatuisia ominaisuuksia atomi- ja subatomitasolla.
Yksi kvanttimagnetismin kiehtovimmista ilmiöistä on kvanttivaiheen siirtymä, joka tapahtuu, kun magneettisen materiaalin magneettiset ominaisuudet muuttuvat äkillisesti ulkoisten parametrien, kuten lämpötilan, paineen tai magneettikentän, pienten muutosten seurauksena. Näiden kvanttivaiheen siirtymien ymmärtäminen ja hallinta voisi johtaa uusien materiaalien ja laitteiden kehittämiseen, joilla on uudenlaisia magneettisia ominaisuuksia.
4. Uudet magneettiset materiaalit
Uusien, poikkeuksellisia ominaisuuksia omaavien magneettisten materiaalien etsiminen on jatkuva tutkimusalue magnetismin alalla. Joitakin näiden materiaalien haluttuja ominaisuuksia ovat korkea magnetoituminen, korkea koersiivisuus, korkea Curie-lämpötila ja voimakas magneettikiteinen anisotropia. Nämä ominaisuudet voivat parantaa suorituskykyä nykyisissä sovelluksissa ja mahdollistaa uusien teknologioiden kehittämisen.
Joitakin lupaavia tutkittavia magneettisten materiaalien luokkia ovat:
* Harvinaisia maametalleja sisältämättömät kestomagneetit: Niiden rajallinen saatavuus ja korkea hinta ovat kuitenkin saaneet tutkijat etsimään vaihtoehtoisia harvinaisia maametalleja, jotka eivät sisällä harvinaisia maametalleja.