Magneettivuo on magneettikentän määrä, joka tunkeutuu alueelle, joka on suorassa kulmassa siihen nähden. Yksinkertaisessa tilanteessa, jossa kenttä kulkee suorassa kulmassa tasaisen pinnan läpi, tämä määrä on magneettikentän vahvuus kerrottuna pinnan pinta -alalla. Useimmissa tosielämän tilanteissa on kuitenkin otettava huomioon muut tekijät. Magneettivuo on tärkeä käsite monilla tieteenaloilla, ja sovellukset liittyvät sähkömoottoreihin, generaattoreihin ja Maan magneettikentän tutkimukseen. Fysiikassa sitä edustaa kreikkalainen kirjain phi, φ.
Gaussin laki
Palkkimagneetissa on kaksi napaa, jotka on nimetty pohjoiseen ja etelään, koska ne reagoivat maan magneettikenttään, joka on suunnilleen suunnilleen pohjois-etelä. On tieteellinen käytäntö, että magneettiset voimat kulkevat pohjoisesta etelään. Jos henkilö ottaa kaksiulotteisen suorakulmaisen pinnan tangomagneetin pohjoispäässä, sillä on magneettivirta, samoin kuin etelänavan pinta. Magneetilla ei kuitenkaan ole virtausta, koska pohjois- ja eteläpäät ovat yhtä vahvoja ja kenttä “virtaa” pohjoisnavalta etelänapaan muodostaen suljetun silmukan.
Gaussin magnetismin laki sanoo, että suljetun pinnan, kuten pallon, kuution tai tangon magneetin, magneettivuo on aina nolla. On myös toinen tapa sanoa, että olipa objekti kuinka pieni tahansa, sillä on pohjoisnapa, sen etelänapa on aina oltava yhtä luja ja päinvastoin. Kaikki magneettikenttä on dipoli, eli siinä on kaksi napaa. Jotkut tutkijat ovat arvelleet, että magneettisia monopoleja voi olla olemassa, mutta niitä ei ole koskaan havaittu. Jos ne löydetään, Gaussin lakia on muutettava.
Faradayn laki
Faradayn lain mukaan magneettivuon muutos luo jännitteen tai sähkömoottorivoiman (EMF) lankakelaan. Yksinkertaisesti magneetin siirtäminen lähellä lankakelaa saavuttaa tämän, samoin kuin magneettikentän voimakkuuden muutos. Tuotettu jännite voidaan määrittää magneettivuon muutosnopeuden ja käämin kierrosten lukumäärän perusteella.
Tämä on sähköntuottajien periaate, jossa liikkeen luovat esimerkiksi juokseva vesi, tuuli tai fossiilisilla polttoaineilla toimiva moottori. Magneetit ja lankakelat muuttavat tämän liikkeen sähkötehoksi Faradayn lain mukaisesti. Sähkömoottorit osoittavat saman ajatuksen päinvastoin: vaihtovirta sähkövirta lankakelassa vuorovaikuttaa magneettien kanssa liikkeen aikaansaamiseksi.
Magneettiset materiaalit
Materiaalien reaktiot magneettikenttiin vaihtelevat. Ferromagneettiset aineet tuottavat voimakkaamman oman magneettikentän, ja tämä kenttä voi jatkua, kun ulkoinen kenttä poistetaan, jolloin jäljelle jää pysyvä magneetti. Rauta on tämän tyyppinen tunnetuin elementti, mutta muut metalliset elementit, kuten koboltti, nikkeli, gadolinium ja dysprosium, osoittavat myös tämän vaikutuksen. Erittäin voimakkaita magneetteja voidaan valmistaa harvinaisten maametallien neodyymi- ja samariumiseoksista.
Paramagneettiset materiaalit tuottavat magneettikentän vastauksena ulkoiseen, mikä tuottaa suhteellisen heikon vetovoiman, joka ei ole pysyvä. Kupari ja alumiini ovat esimerkkejä. Toinen esimerkki on happi; tässä tapauksessa vaikutus näkyy parhaiten nestemäisessä elementissä.
Diamagneettiset aineet luovat magneettikentän, joka vastustaa ulkoista kenttää ja aiheuttaa vastenmielisyyttä. Kaikilla aineilla on tämä vaikutus, mutta se on yleensä hyvin heikko ja aina heikompi kuin ferromagnetismi tai paramagnetismi. Joissakin tapauksissa, kuten hiilen muodossa, jota kutsutaan pyrolyyttiseksi grafiitiksi, vaikutus on riittävän vahva, jotta pieni tämäntyyppinen materiaali voi kellua ilmassa juuri vahvojen magneettien järjestelyn yläpuolella.
Vuon laskeminen ja mittaaminen
Vuon laskeminen tasaiselle pinnalle suorassa kulmassa magneettikentän suuntaan on yksinkertaista. Usein on kuitenkin tarpeen laskea määrä lankakelalle, joka tunnetaan myös solenoidina. Jos oletetaan, että kenttä on kohtisuorassa lankaan nähden, kokonaisvirta on magneettikentän voimakkuus kerrottuna alueella, jonka läpi se kulkee kerrottuna käämin kierrosten määrällä. Jos kenttä ei ole suorassa kulmassa pintaan nähden, on otettava huomioon magneettikenttäviivojen kohtisuoraan tekemä kulma ja tuote kerrottava tämän kulman kosinilla.
Fluxmeter -nimistä instrumenttia käytetään kentän määrän mittaamiseen. Se perustuu siihen tosiseikkaan, että magneettikenttä luo sähkövirran lankaan, jos ne liikkuvat toisiinsa nähden. Tämä virta voidaan mitata virtauksen määrittämiseksi.
Magneettivuo geologiassa
Magneettivuon mittaus maapallon eri kohdissa antaa tutkijoille mahdollisuuden seurata planeetan magneettikenttää. Tämä kenttä, jonka uskotaan syntyvän maapallon rautaytimessä olevista sähkövirroista, ei ole staattinen, vaan muuttuu ajan myötä. Magneettiset navat ovat itse asiassa kääntyneet monta kertaa menneisyydessä ja todennäköisesti kääntyvät uudelleen tulevaisuudessa. Napanvaihdon vaikutukset voivat olla vakavia, koska muutoksen aikana kentän voimakkuus heikkenee suuressa osassa planeettaa. Maapallon magneettikenttä suojaa elämää planeetalla aurinkotuulelta, auringon sähköisesti varautuneiden hiukkasten virralta, joka olisi haitallista.
Mittausyksiköt
Magneettikentän voimakkuus tai magneettivuon tiheys mitataan Teslas -yksikössä, joka on nimetty sähköinsinööri Nikola Teslan mukaan. Virtaus mitataan Webersissä, joka on nimetty fyysikon Wilhelm Eduard Weberin mukaan. Weber on 1 Tesla kerrottuna 1 neliömetrillä ja Tesla on 1 Weber neliömetriä kohti.