Ve fyzice je magnetismus jedním z jevů, kterými materiály působí přitažlivými nebo odpudivými silami na jiné materiály. Některé známé materiály, které vykazují snadno zjistitelné magnetické vlastnosti (nazývané magnety), jsou nikl, železo, kobalt a jejich slitiny; všechny materiály jsou však ve větší či menší míře ovlivněny přítomností magnetického pole.
Magnetismus má také další projevy ve fyzice, zejména jako jedna ze dvou složek elektromagnetických vln, jako je světlo.
Magnety a magnetické materiály
Každý elektron je ve své podstatě malý magnet (viz elektronový magnetický dipólový moment). Za normálních okolností je nespočet elektronů v materiálu náhodně orientován různými směry, což v průměru nezanechává žádný efekt, ale v tyčovém magnetu jsou elektrony zarovnány ve stejném směru, takže působí kooperativně a vytvářejí čisté magnetické pole.
Kromě vlastního magnetického pole elektronu je někdy přítomno další magnetické pole, které vyplývá z orbitálního pohybu elektronu kolem jádra. Tento efekt je analogický tomu, jak smyčka vodiče nesoucí proud vytváří magnetické pole (viz Magnetický dipól). Opět platí, že obvykle je pohyb elektronů takový, že neexistuje žádné průměrné pole z materiálu, ale za určitých podmínek se může pohyb seřadit tak, aby vytvořil měřitelné celkové pole.
Celkové magnetické chování materiálu se může značně lišit v závislosti na struktuře materiálu, a zejména na jeho elektronové konfiguraci. U různých materiálů bylo pozorováno několik forem magnetického chování, včetně:
Magnetismus, elektřina a speciální relativita
V důsledku Einsteinovy teorie speciální relativity jsou elektřina a magnetismus chápány jako bytostně propojené. Jak magnetismus postrádající elektřinu, tak elektřina bez magnetismu jsou v rozporu se speciální relativitou, a to kvůli takovým účinkům, jako je kontrakce délky, dilatace času a skutečnost, že magnetická síla je závislá na rychlosti. Pokud se však vezme v úvahu elektřina i magnetismus, výsledná teorie (elektromagnetismus) je plně v souladu se speciální relativitou. Zejména jev, který se jednomu pozorovateli zdá čistě elektrický, může být čistě magnetický pro druhého, nebo obecněji relativní příspěvky elektřiny a magnetismu jsou závislé na referenčním rámci. Speciální relativita tak „míchá“ elektřinu a magnetismus do jediného, neoddělitelného jevu zvaného elektromagnetismus (analogicky k tomu, jak speciální relativita „míchá“ prostor a čas do prostoročasu).
Magnetická pole a síly
Magnetické siločáry tyčového magnetu znázorněné železnými pilinami na papíře
Fenomén magnetismu je „zprostředkován“ magnetickým polem – tj. elektrický proud nebo magnetický dipól vytváří magnetické pole a to pole zase přenáší magnetické síly na jiné částice, které jsou v poli.
Pro vynikající aproximaci (ale bez ohledu na některé kvantové efekty—viz kvantová elektrodynamika) popisují Maxwellovy rovnice (které se zjednodušují na Biotův-Savartův zákon v případě ustálených proudů) původ a chování polí, kterými se tyto síly řídí. Proto je magnetismus vidět vždy, když jsou elektricky nabité částice v pohybu—například z pohybu elektronů v elektrickém proudu nebo v určitých případech z orbitálního pohybu elektronů kolem jádra atomu. Vznikají také z „vnitřních“ magnetických dipólů vznikajících z kvantových efektů, tj. z kvantově-mechanického spinu.
Stejné situace, které vytvářejí magnetická pole (náboj pohybující se v proudu nebo v atomu a vnitřní magnetické dipóly), jsou také situace, ve kterých magnetické pole působí a vytváří sílu. Následuje vzorec pro pohyblivý náboj; pro síly na vnitřní dipól viz magnetický dipól.
Když se nabitá částice pohybuje magnetickým polem B, cítí sílu F danou křížovým součinem:
kde
je elektrický náboj částice,
je vektor rychlosti částice a je magnetické pole. Protože se jedná o mezisoučin, je síla kolmá jak na pohyb částice, tak na magnetické pole. Z toho vyplývá, že magnetická síla nepůsobí na částici; může změnit směr pohybu částice, ale nemůže způsobit její zrychlení nebo zpomalení. Velikost síly je
kde je úhel mezi a vektory.
Lenzův zákon udává směr indukované elektromotorické síly (emf) a proudu vznikajícího elektromagnetickou indukcí. Německý fyzik Heinrich Lenz jej formuloval v roce 1834.
Magnetické pole obsahuje energii a fyzikální systémy se stabilizují do konfigurace s nejnižší energií. Proto, když je magnetický dipól umístěn v magnetickém poli, má tendenci se srovnat v opačné polaritě k tomuto poli, čímž se síla čistého pole co nejvíce ruší a energie uložená v tomto poli se snižuje na minimum. Například dva identické tyčové magnety umístěné vedle sebe normálně seřazují sever k jihu, což vede k mnohem menšímu magnetickému poli a odolávají jakýmkoli pokusům o jejich přeorientování tak, aby ukazovaly stejným směrem. Energie potřebná k jejich přeorientování v této konfiguraci je pak uložena ve výsledném magnetickém poli, které je dvojnásobkem síly pole každého jednotlivého magnetu. (To je samozřejmě důvod, proč magnet používaný jako kompas interaguje s magnetickým polem Země, aby ukazoval sever a jih).
Alternativní, ekvivalentní formulace, která je často snadněji aplikovatelná, ale možná nabízí méně pochopení, je, že magnetický dipól v magnetickém poli zažívá točivý moment a sílu, která může být vyjádřena jako pole a síla dipólu (tj. jeho magnetický dipólový moment). Tyto rovnice viz magnetický dipól.
Vzhledem k tomu, že magnet na tyči získává svůj feromagnetismus z elektronů rozmístěných rovnoměrně po celé tyči, při rozříznutí magnetu na tyči na polovinu je každý z výsledných kusů menším magnetem na tyči. I když se o magnetu říká, že má severní a jižní pól, tyto dva póly od sebe nelze oddělit. Monopol – pokud něco takového existuje – by byl novým a zásadně odlišným druhem magnetického objektu. Působil by jako izolovaný severní pól, který by nebyl připojen k jižnímu pólu, nebo naopak. Monopoly by nesly „magnetický náboj“ analogický elektrickému náboji. Přes systematické pátrání od roku 1931, od roku 2006, nebyly nikdy pozorovány a dost dobře by nemohly existovat.
Nicméně některé modely teoretické fyziky předpovídají existenci těchto magnetických monopolů. Paul Dirac v roce 1931 poznamenal, že protože elektřina a magnetismus vykazují určitou symetrii, stejně jako kvantová teorie předpovídá, že jednotlivé kladné nebo záporné elektrické náboje mohou být pozorovány bez opačného náboje, izolované jižní nebo severní magnetické póly by měly být pozorovatelné. Použitím kvantové teorie Dirac ukázal, že pokud magnetické monopoly existují, pak by se dalo vysvětlit kvantování elektrického náboje—tedy proč pozorované elementární částice nesou náboje, které jsou násobky náboje elektronu.
Určité velké sjednocené teorie předpovídají existenci monopolů, které jsou na rozdíl od elementárních částic solitony (lokalizované energetické balíčky). Počáteční výsledky použití těchto modelů k odhadu počtu monopolů vytvořených při velkém třesku byly v rozporu s kosmologickými pozorováními – monopolů by bylo tolik a byly by tak masivní, že by už dávno zastavily rozpínání vesmíru. Nicméně myšlenka inflace (pro kterou tento problém sloužil jako částečná motivace) byla úspěšná při řešení tohoto problému a vytvořila modely, ve kterých monopoly existovaly, ale byly natolik vzácné, aby byly v souladu se současnými pozorováními.