Magnetisme gir en tiltrekkende eller frastøtende kraft.
En tesla tilsvarer en weber (Wb) per kvadratmeter (m2), oppkalt etter Wilhelm Eduard Weber (1804-1891)
\(1\;T=1\; Wb\; m^{-2}= 1\; kg\; s^{-2}A^{-1}= 1\; kg\; s^{-1}\; C^{-1}= 1\; V\; s\; m^{-2}= 1\; N\; A^{-1}\; m^{-1}\)
hvor A er strøm målt i ampere, C er ladning i coulomb, V er spenning i volt, og N er kraft målt i Newton.
Nordlys skyldes Jordens magnetfelt som leder partikkelstrålingen (elektrisk nøytrale nøytrinoer, samt elektroner og protoner med høy hastighet, like mange av hver som gir elektrisk nøytralitet) fra Sola til polområdene. Gulgrønn farge kommer fra emisjon fra oksygenatomer rød fra emisjon fra enitrogenatomer, Eksiterte oksygenatomer ken sende ut rødt lys. Birkelandstrømmer følger de geomagnetiske feltlinjer som binder sammen ionosfære og magnetosfæren
Like poler på en magnet frastøter hverandre og motsatte poler tiltrekker hverandre. Ved ferromagnetisme har alle elektronene samme retning på spinnet. Et elektron har to spin, +1/2 eller -1/2. I en magnet har alle elektronene et spin som går i samme retning, og skjer når jern oppvarmes til ca. 770oC. og gir ferromagnetisme.
Samvirke mellom elektrisk og magnetisk felt danner basis for elektromagneter og elektromotorer.
Jorden inneholder en roterende jernkjerne, en geodynamo, som lager et magnetfelt rundt Jorden, som anvendes innen navigasjon, og som beskytter Jorden mot partikkelstråling fra Sola.
Den magnetiske nordpolen på Jorden forflytter seg stadig raskere og er nå på vei til Sibir.
Magnetisk jern ble funnet i Magnesia. William Gilbert: De Magnete . Den danske fysiker og kjemiker Hans Christian Ørsted fant i 1820 at elektrisk strøm i en leder ga utslag på en kompassnål, elektromagnetisme. André-Marie Ampère forbedret Ørsteds eksperiment, viste at kompassnålen plasserte seg i rett vinkel (90o) til den elektriske ledningen. Det magnetiske feltet økte proporsjonalt med strømmen i ledningen, og avtok omvendt proprosjonalt med avstand mellom kompassnålen og den elektriske ledningen.
Michael Faraday introduserte begrepet magnetiske feltlinjer, synliggjort med jernfilspon på papir over en magnet som følger det magnetiske feltet. Faradays oppdagelser av elektromagnetisk induksjon danner basis for elektromotoren, dynamoer og turbiner i kraftverk som produserer elektrisk strøm.
Geomagnetisme
Den britiske astronomen Edmond Halley (1656-1742) som ga navn til Halleys komet, foretok måling og lagde kart over Jordens magnetfelt, På 1300-tallet ble europeerne kjent med kompasset utviklet i Kina. Man oppdaget at kompassnålen ikke pekte helt nøyaktig mot den geografiske Nordpolen, men hadde en misvisning. Kompasset oppførte seg underlig ved at den magnetiske Nordpolen flyttet seg når mang forflyttet seg i øst-vest retning. Arbeidet til den engelske fysikeren William Gilbert (1544-1603)at jordkloden virket som magnetisk dipol (geomagnetisk nordpol og sydpol).
År 1600 Gilbert Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (Om magneten og magnetiske legemer og om den store magneten Jorden). Jordens magnetfelt (geomagnetisk felt) kommer fra Jordens indre med en roterende jernkjerne (geodynamo) bestående av smeltet magnetitt påvirket av Coriolis-effekt med tilhørende konveksjonsstrømmer. Magnetfeltet går langt ut i verdensrommet hvor det danner Jordens magnetosfære og interagerer med solvinden (partikkelstrøm av ladete partikler elektroner og protoner). Magnetosfæren beskytter Jorden mot de ladete partiklene i solvinden. Noen av partiklene blir fanget opp av Van Allen strålingsbeltene.
Verdens magnetiske modell (WMM) er basert på ellipsoiden WGS84 (World Geodetic System 1984) med horisontalt magnetfelt målt i mikrotesla (ca. 30-60 µT, 0.3-0.6 Gauss) blir brukt i navigasjon, retningsbestemmelse og høydemåling, med x,y,z-komponent henholdsvis nord, øst og vertikal med magnetisk inklinasjon og deklinasjon. WNN2020 baserer seg på tolv sfæriske harmoniske modeller. Carl Friedrich Gauss var den første til å måle Jordens magnetiske feltstyrke i 1835. Både Gauss og Euler arbeidet med modellering av Jordens magnetfeltmagnetfelt
Magnetfelt og planeter
Jorden er omgitt av en magnetfelt (geomagnetisk felt) som blir laget av en roterende flytende masse med jern inne i jordkloden (konveksjonsstrømmer, Corioliskraft). Magnetfeltet strekker seg fra Jordens ytre og ut i verdensrommet. Dette magnetfeltet kanaliserer ladet partikkelstråling fra Sola (solvinden, kosmisk stråling) ned mot Jordens to poler, observert som sørlys og nordlys. Det beskyttende magnetfeltet og magnetosfæren beskytter Jordens atmosfære.
Merkur (Messenger 2011-2015) og Jorden har magnetfelt dannet fra en roterende flytende metallkjerne, Merkurs er mye mindre enn Jordens magnetfelt. Mars og Venus har ikke magnetosfære, men Jupiter (Juno) , Saturn, Uranus (Voyager 2) og Neptun har magnetosfære. NASA og USA har investert store ressurser i utforsknings av vårt Solsystem, også i samarbeid med EU, Russland og etterhvert andre stater, noe som har gitt mennesket grunnleggende kunnskap om vår plass i Universet. De to Voyagerferdene, Galileo, Cassini og Juno, m.fl. . Denne kunnskapen er fundamentalt viktig for å kunne forstå hvordan livet på Jorden har oppstått, og hvorfor akkurat Jorden fikk en slik gunstig plassering og planetevolusjon som ga grunnlag for liv.
Jupiter er omgitt av en meget stort magnetfelt, og en av teoriene til astrofysikere hvordan dette magnetfeltet blir laget har kommet fra satelittdata fra Juno: en roterende masse med metallisk hydrogen laget under det enorme trykket fra atmosfæren.
Jern som størkner under Curie-temperaturen (770oC), kritisk temperatur for ferromagnetisme, får magnetisk spin parallelt med Jordens magnetfet. Navn etter PIerre Curie. Over Curietemperaturen mister jern de permanente magnetiske egenskapene.
Van Allen-beltene
Van Allen-beltene er to strålingsfelter, ytre og indre, formet som torus og inneholder høyenergetiske elektroner og protoner med opprinnelse fra solvinden, oppdaget i 1958 med en geigerteller i NASA-satelitten Explorer 1. fNavn etter den amerikanske fysikeren James A van Allen De ladete partiklene blir styrt av elektriske og magnetiske felter og gir plasmabølger og inngår i magnetfeltene rundt Jorden, inkludert magnetosfæren.
Maxwells ligninger for elektromagnetisme
Magnetfeltet blir produsert av elektriske strømmer som lager et magnetfelt ifølge Ampères sirkulasjonslov. Ifølge Faradays lov lager endringer i et magnetfelt et elektrisk felt. Både det elektriske og magnetiske feltet påvirker ladninger, såkalte Lorenzkrefter. Feltene kan beskrives av vektorfelt.
Den magnetiske induksjonsligningen hvor B er magnetfelt, t er tid, gitt som den partielle differensialligningen :
\(\displaystyle\frac{\partial B}{\partial t}= \eta \bigtriangledown ^2 B + \bigtriangledown \times \left(u \times B\right)\)
\(\bigtriangledown ^2\) er Laplace operator, \(\bigtriangledown \times\) er curloperator (sirkulasjon), u er hastigheten på flyten av materie, og eta \(\eta=\frac{1}{\sigma \mu}\) er magnetisk diffusivitet, som er omvendt proporsjonal med elektrisk konduksjon (sigma, \(\sigma\)) og permabilitet mu (\(\mu\)).
Magnetbiologi og biomagnetisme
Noen organismer bruker magnetiske felt i navigasjon, bl.a. en av hypotesene for navigasjon hos trekkfugl og havskilpadder (magnetisk kompass). Noen organismer kan produsere sitt eget magnetfelt. Strømmer av elektroner lager et magnetfelt, og elektrontransport er fundamentet for å kunne lagre energi (reduksjon) og frigi energi (oksidasjon) i alt liv. Det er ladningsforskjeller over membran og gjennom ionekanaler skjer det transport av store mengder ladninger.
Magnetisk resonans tomografi
MR hvor kroppen plassers inne i et magnetspole, basert på prinsippet om kjernemagnetisk resonans (NMR). Felix Bloch (1905-1983) og Edward Mills Purcell (1912-1997) fikk nobelprisen i fysikk i 1952 «for utvikling av nye metoder for kjernemagnetisk presisjonsmålinger og oppdagelser i sammenheng med disse»
Protoner har på samme måte som elektroner har et magnetisk spin og virker som en liten magnet, og i atomer med et uparret antall protoner, det er spesielt hydrogenatomet et ett proton som anvends i MR. Når hydrogenatomer utsettes for et magnetfelt i magnettomografen får protonene samme spinretning, parallelt med lavest energi eller antiparallelt (med høyere energi) til magnetfeltet. Med kortvarige pulser med radiobølger (elektromagnetisk stråling) som gir et magnetisk moment som påvirker vevsmagnetismen den opprinnelige retningen. Styrken på magnetfeltet måles i måleenhet Tesla .
Larmos ligning (Sir Joseph Larmor (1857-1942) gjelder generelt for partikler med et spin eller vinkelmoment, fo er presesjonsfrekvens, Bo er styrken på det ytre påførte magnetfeltet med måleenhet Tesla (T) og γ (gamma) er gyromagnetisk ratio, en spesifikk verdi for hver type partikkel.
\(\displaystyle f_o = \gamma B_o\)
Det gyromagnetiske ratio for protonet 1H er lik 42.58 MHz/Tesla. For et elektron er den lik -27.204 MHz/Tesla. Tilsvarende verdier kan man finne i litteraturen for 13C, 19F og 31P. Hvis man har et magnetfelt på 1.5 T kan man finne resonansfrekvensen for 1H:
fo =42.58 MHz/T·1.5 T = 63.8 MHz
Zeeman spektrallinjer kommer fra elektroner som beveger seg rundt atomkjernen, og disse kan bli påvirket av et ytre magnetfelt. I elektro paramagnetisk resonans (EPR, ESR) brukes radiobølger i mikrobølgeområdet.
Den nederlandske fysikeren Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) utviklet Lortentz-ligningene som Einstein anvendte i sin spesielle relativitetsteori. Lortentz fikk nobelprisen i fysikk i 1902 sammen med Pieter Zeeman som «anerkjennelse for deres ekstraordinære innsats som de leverte i deres forskning om betydningen av magnetisme på strålingsfenomener. Zeeman-effekten hvor en spektrallinje kan splittes i flere deler i et statisk magnetfelt. Stark-effekten er en analog hvor spektrallinjer fra atomer eller molekyler blir splittet i flere linjer i et elektrisk felt. Zeeman-effekt innvirker i elektronspin resonansspektroskopi (ESR), kjernemagnestisk resonansspektroskopi (NMR) og Mössbayer spektroskopi. Splitting av Zeeman-linjene og avstanden mellom dem er en funksjon av styrken på magnetfeltet og kan bli brukt til magnetisk feltstyre i plasma og Sola.