Magnetväli on magnetit ümbritsev ala, milles avaldub magnetiline jõud. Liikuvad elektrilaengud (näiteks voolud juhtmetes) tekitavad magnetvälju. Magnetvälju saab sageli kujutada ja visualiseerida magnetvoolujoonte järgi: need jooned näitavad välja suunda igas ruumipunktis — magnetvoojoon algab ühes poolusest ja lõpeb teises, moodustades suletud ahelaid. Magnetväljad mõjutavad teisi osakesi ja kehaosakesi, mis satuvad väljaga kokku.

Põhimõisted ja omadused

Magnetväli väljendatakse tavaliselt vektoriga B, mida nimetatakse magnetvoo tiheduseks või magnetväljaks (magnetic flux density). Vektor B suunab jõu, mida magnetväli mõjutab liikuvat laengut — Lorentzi jõu abil: F = q (v × B). Magnetväljad ei lõpe ruumis vabas; reaalsete allikatena esinevad ringikujulised voolud või magnetilised dipoolid. Matemaatselt väljendub üks oluline omadus Maxwelli võrrandites: ∇·B = 0 (st monopoolseid magnetlaenguid ei ole eraldi avastatud) ning muutuvate elektriväljadega on need seotud induktsiooniseadusega (∇×E = −∂B/∂t).

Voolujooned, dipoolid ja energia

Magnetvälja paigutamisel sättuvad magnetilised dipoolid tavaliselt ritta nii, et dipooli telg on paralleelne väljaga — seda on lihtne näha, kui asetada rauakillud magneti ümber: rauapuru paigutub voolujoonte suunda. Magnetväljadel on ka oma energia ja impulss; ruumipunktienergia tihedus vaakumis on antud lihtsustatud valemiga u = B² / (2μ0), kus μ0 on vaakumi permeaablus (μ0 ≈ 4π·10−7 H·m−1). Magnetvälja tugevus on seotud voolujoonte vahekaugusega: mida tihedamad on voolujooned, seda tugevam väli.

Allikad ja tüübid

Magnetvälju tekitavad peamiselt elektrivoolud ja magnetilised dipoolid. Kui magnetiline väli tekib elektrivälja muutumise kaudu, on tegemist elektromagnetismiga. Magnetiliste materjalide käitumise selgitamiseks vaata ka magnetism ja magnet, eriti erinevaid nähtusi nagu diamagnetism, paramagnetism ja ferromagnetism. Materjalide puhul seostatakse magnetvoo tihedust B magnetvälja tugevusega H ning magnetiseeritusega M: B = μ0 (H + M) või lihtsustatult B = μ H, kus μ on materjali magnetiline permeaablus.

Ühik ja praktilised näited

Magnetvälja mõõdetakse SI-ühikus teslas (sümbol T) ning cgs-süsteemis gauss (sümbol G). 1 T = 10 000 G. Mõningad tüüpilised näited tugevustest:

  • Maa magnetväli: umbes 25–65 μT (0,25–0,65 G).
  • Leibkonna külmiku magnet: mõni millitesla (mT), sõltuvalt magnetist (näiteks ~5 mT ≈ 50 G).
  • Neodüümmagnendid: tavaliselt mõnikümmend sajandikku teslast kuni üle ühe tesla (näiteks ~1 T ≈ 10 000 G).
  • MRI skannerid meditsiinis: tavaliselt 1,5–3 T (15 000–30 000 G) või ka tugevamad.

Mõõtmine ja instrumendid

Magnetvälja mõõtmiseks kasutatakse mitmesuguseid seadmeid sõltuvalt sagedusest ja tundlikkusest:

  • Hall‑andur (Hall probe) — mõõdab magnetvälja B tekitatud Hall‑pinget; sobib DC ja aeglaselt muutuvate väljade jaoks.
  • Fluxgate‑magnetomeeter — väga tundlik mõõtmaks nõrku püsimagneteid ja Maa väli.
  • Search coil ehk otsimismähis — mõõdab muutuvat magnetvoogu (AC) induktsiooni kaudu.
  • SQUID (superconducting quantum interference device) — erakordselt tundlik väga nõrkade väljade mõõtmiseks, kasutatakse teaduslikes ja meditsiinilistes rakendustes.
  • Gaussmeetri ja magnetomeetri terminoloogias tähistatakse sageli sama tüüpi instrumente, mis annavad B‑väärtuse teslates või gaussides.

Mõõtmiste käigus tuleb arvestada kalibreerimise, temperatuuri ja häiretega (näiteks ferromagnetiliste läheduses olevate objektide mõju).

Magnetväljade jõud ja rakendused

Magnetväljad mõjuvad kiirenevatele laengutele ja magnetilistele dipoolidele. Liikuv laeng q kogeb Lorentzi jõudu F = q (v × B), mis on risti nii laengu kiiruse v kui ka välja B‑ga. Magnetilised jõud kasutatakse paljudes rakendustes: elektromootorites, generaatorites, transformeerijates, magnetlahutuses, andurites ja meditsiinilises kujutamises (MRI).

Seos elektriväljaga ja ajalooline taust

Elektriväli ja magnetväli on kaks komponenti ühtsest elektromagnetväljast. Muutuvad elektriväljad tekitavad magnetvälju ja vastupidi — see seos on elektromagnetismi põhialus. Elektromagnetismi uurimise ja induktsiooni avastamise vankri ehitasid teadlased nagu Michael Faraday, kes avastas elektromagnetilise induktsiooni, ning hiljem James Clerk Maxwell, kes ühendas need nähtused teoreetiliselt Maxwelli võrranditeks.

Visualiseerimiseks kasutatakse sageli rauapuru või väikseid rauatühikuid magneti ümber — need paigutuvad magnetvoolujoontes ja aitavad välja inimesele nähtavaks teha. Magnetväljade täielik mõistmine hõlmab nii klassikalist elektromagnetismi kui ka mateeria kvantmehaanilist käitumist magnetiliste ainete puhul.