Magnetvälja jooned — definitsioon, omadused ja näited

Magnetvälja joon või magnetvoo joon on kujutus, mis näitab magneti magnetvälja suunda ja suhtelist tugevust igas ruumiosas. Selle idee võimaldab välja omadusi lihtsal visuaalsel kujul esitada: joonte tangenti suund näitab välja suunda ja joonte tihedus annab indikatsiooni väljatugevusest.

Määratlus ja ajalooline taust

Jõujoonte (field lines) mõtte autor oli Michael Faraday. Tema vaade oli, et magnetism ja elektrilised nähtused on paremini mõistetavad, kui kujutleda neid jõuväljade ja nende joontena. Faraday’ kontseptsioon lihtsustab paljude elektromagnetismi seaduste intuitiivset mõistmist ning seda on hiljem vormistanud ja laiendanud matemaatiliselt klassikaline teooria. Einsteini teooria nõustub sellega.

Olulised omadused

Magnetvälja jooned on suunatud väljast vaadatuna magneti N-poolusest S-pooluse suunas väljaspool magnetit ja sisemiselt vastupidises suunas—praktikas moodustavad nad suletud silmuseid.
Jooned ei lõiku ega lõpe vabas ruumis: see peegeldab fakti, et magnetmonopole seni ei ole tuvastatud (Gaussi seadus magnetväljadele: divergents on null).
Joonte tihedus mingis piirkonnas on proportsionaalne magnetvälja tugevusega selles piirkonnas — tihedamad jooned tähendavad tugevamat välja.
Joonte suund igas punktis on sama, mida näitaks selles punktis kompassi nõel (tangendi suund võrdub välja suunaga).

Visuaalsed ja praktilised näited

Levinud viis magnetvälja kujutamiseks on kasutada rauapuru või väikseid rauakillukesi, mis asetsevad magneti läheduses ja joondavad end välja mõjul, moodustades nähtavad „jooned“. See on lihtne ning selge demonstratsioon, kuid oluline on mõista, et rauapuru muudab väljatingimusi — raual on palju suurem läbilaskvus õhuga võrreldes, mistõttu raua kasutamisel näidatud jooned ei ole täpselt samad, mis algne vaba magnetväli.

Teised vaatluse viisid:

Kompassid või väiksed magnetnõelad näitavad välja suunda punktpunkti kaupa.
Ferrovedelikud (ferrofluidid) annavad kolmemõõtmelisema pildi väljajoonest, sest vedelik reageerib väljale kogu ruumis ja moodustab sageli teravnenud tippe väljajõudude kohal.
Erinevad sensorid (näiteks Halli-elementid, magnetomeetrid) mõõdavad välja tugevust ja suunda kvantitatiivselt.
Tugeva magneti hoidmine CRT-tüüpi monitori (valge ekraani) ees võib tekitada nähtavaid mustreid, mis peegeldavad väljamuutusi ekraanil.

Mida rauapuru ja ferrovedelik tegelikult näitavad

Rauapuru ja muud ferro-/magnetmaterjalid märkivad välja sobivaks, kuid samal ajal polariseeruvad ja mõjutavad ise algset magnetvälja. Seetõttu ei ole rauapuru jooned täpne "fotograafiline" kujutis vaba välja struktuurist — need pigem näitavad, kuidas väli koos materjaliga interakteerub. Ferrovedelikud annavad ruumilisema pildi kui levinud plaadil olev rauapuru, kuid ka nemad muudavad väljatingimusi, sest materjalid iseenesest magnetiseeruvad.

Matemaatiline tõlgendus ja mõõtmine

Magnetvälja jooned on intuitiivne viis kirjeldada magnetvoogu (magnetic flux). Matemaatiliselt väljendatakse magnetvoogu tavalise kujuga Φ = ∫ B·dA, kus B on magnetinduktsioon ehk magnetväljavektor ja integraal lähtub pinnast, mida läbivad välijooned. Sellest vaatenurgast on „joonte arv“ läbi kindla pindala proportsionaalne magnetvooga. Paljusid magnetismi seadusi (nt Gaussi seadus magnetismile ja Ampere’i seadus elektrivoolude tekitatud väljade kohta) saab selle lihtsa pildi abil kiiresti ette kujutada ja seejärel matemaatiliselt täpsustada.

Praktilised näited

Kahepoolne vardamagnet: välijooned väljuvad N-pooolest ja kulgevad ümber magneti S-poole suunas, moodustades suletud vooluringi.
Soolenoidi (mähise) sees on välijooned peaaegu paralleelsed ja tihedad — seetõttu on mähise sisemus tugev ja ühtlane magnetväli.
Maa magnetväli: väljajooned ulatuvad Maa magnetpoolustelt ja määravad kompassi suuna; neid nähtavaid valgusmustreid võib mõnikord registreerida ka polaarööpides, kus osakesed tekitavad nähtavaid valgusvihke, mis on kooskõlas Maa magnetvälja kohaliku suunaga polaarööpides, nagu artiklis mainitud.

Kokkuvõte ja tähelepanekud

Magnetvälja jooned ei ole tegelikud füüsikalised „traadid“ ruumis, vaid kasulik mudel ja visualiseerimisvahend. Nad aitavad mõista välja suunda, tugevust ja seaduspärasusi ning lihtsustavad mitmete elektromagnetismi seaduste esitamist. Samas tuleb arvestada, et demonstreerivad materjalid (rauapuru, ferrovedelikud jm) mõjutavad vaatluse objekti ning annavad seetõttu kergelt moonutatud pildi algsest vaba magnetväljast. Täpsete ja kvantitatiivsete mõõtmiste jaoks kasutatakse instrumentaalseid meetodeid (Halli-andurid, magnetomeetrid jms), mitte ainult visuaalseid demonstratsioone.

Magnetvälja joonte suund, mida kujutab vardamagneti kohale asetatud paberile puistatud rauakillud.

Kompassid näitavad kohaliku magnetvälja suunda. Nagu siin näha, on magnetväli suunatud magneti lõunapooluse suunas ja põhjapoolusest eemale.

Küsimused ja vastused

K: Mis on magnetvälja joon?

V: Magnetvälja joon on magnetjõu suuna ja tugevuse visuaalne kujutis.

K: Kes leiutas jõujoonte idee?

V: Jõujoonte idee leiutas Michael Faraday.

K: Kuidas saab määrata magneti tugevust?

V: Magneti tugevust saab määrata, tehes katse rauakillustikuga. Rauakillud tõmbuvad magnetile ja liiguvad voolujoonte kujul, mis annab märku sellest, kui tugev või nõrk magnet on.

K: Mis põhjustab nähtavaid triipe polaarööpides?

V: Nähtavad triibud polaarööpides on põhjustatud osakestest, mis joonduvad Maa magnetväljaga.

K: Kuidas erinevad magnetväljad topograafilistest kaartidest?

V: Magnetväljad erinevad topograafilistest kaartidest selle poolest, et nad kujutavad midagi pidevat ja eri kaardistuskaaladel on rohkem või vähem triipe. Topograafilised kaardid kujutavad kaardil konstantset kõrgust, samas kui magnetväljad kujutavad midagi pidevat, mis muutub sõltuvalt vaatluseks kasutatavast mõõtkavast.

K: Miks on raske vaadata tegelikke välju ilma neid muutmata?

V: Tegelikke välju on raske vaadata ilma neid muutmata, sest ferro-/magnetmaterjalid magnetiseeruvad, kui nendega kokku puutuvad, muutes seega algset välja nii, et see sisaldaks ka nende enda mõju.

K: Millised on mõned viisid, kuidas saab vaadata välja täpset kujutist ilma seda muutmata?

V: Mõned viisid, kuidas saab vaadata välja täpset kujutist ilma seda muutmata, on näiteks ferrovedelike kasutamine (mis reageerivad kõigis kolmes mõõtmes) või tugeva magneti hoidmine valge ekraaniga CRT-tüüpi monitori ees (mis ei tekita ühtegi nähtavat "joont").