11.1 Odkrywanie magnetyzmu

W magnesach występują dwa typy biegunów magnetycznych, nazywanych północnymi biegunami magnetycznymi i południowymi biegunami magnetycznymi. Północne bieguny magnetyczne są tymi, które przyciąga do siebie ziemski, geograficzny biegun północny.
Jednoimienne bieguny odpychają się, a różnoimienne bieguny się przyciągają.
Prowadzone przez Oersteda i innych badania nad tym, w jaki sposób magnetyki reagują na prądy, stworzyły podstawy do wynalezienia współczesnych urządzeń elektronicznych, silników elektrycznych oraz technologii obrazowania magnetycznego.

11.2 Pola magnetyczne i ich linie

Ładunki poruszające się w polu magnetycznym doznają działania siły wyznaczonej przez $\vec{F} = q \vec{v} \times \vec{B}$ . Siła ta jest prostopadła do płaszczyzny utworzonej przez $\vec{v}$ oraz $\vec{B}$ .
Kierunek i zwrot siły działającej na poruszający się ładunek są dane regułą prawej dłoni 1 (RHR-1): Ustawiamy palce w kierunku prędkości ładunku tak, by zakreślały okrąg w płaszczyźnie, na której leżą wektor prędkości i indukcji magnetycznej. Kciuk wskazuje kierunek i zwrot siły magnetycznej dla ładunków dodatnich.
Pola magnetyczne można graficznie przedstawić za pomocą linii pola magnetycznego o następujących właściwościach:
1. Indukcja magnetyczna jest styczna do linii pola magnetycznego.
2. Wartość indukcji jest proporcjonalna do gęstości linii.
3. Linie pola nie mogą się przecinać.
4. Linie pola tworzą ciągłe, zamknięte pętle.
Bieguny magnetyczne zawsze pojawiają się w parach: północny i południowy – nie jest możliwe odizolowanie ich od siebie.

Siła magnetyczna może stanowić siłę dośrodkową i powodować ruch cząstki naładowanej po trajektorii kołowej o promieniu $r = m v ∕ (q B)$ .
Okres ruchu cząstki naładowanej po okręgu w polu magnetycznym prostopadłym do płaszczyzny ruchu wynosi $T = 2 π m ∕ (q B)$ .
Ruch po helisie jest wynikiem sytuacji, w której prędkość naładowanej cząstki ma składową równoległą do pola magnetycznego oraz składową prostopadłą do pola magnetycznego.

Prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem.
Kierunek i zwrot wytwarzanego pola magnetycznego określa się przy użyciu reguły prawej dłoni 2, zgodnie z którą kciuk ustawia się na kierunek przepływu prądu, a pozostałe palce otaczające przewodnik wskazują kierunek i zwrot pola magnetycznego.
Siła magnetyczna działająca na przewodnik z prądem dana jest wzorem: $\vec{F} = I \vec{l} \times \vec{B}$ , gdzie $I$ jest natężeniem prądu, a $l$ długością drutu umieszczonego w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji $B$ .

Wypadkowa sił działających na przewodzącą prąd płaską pętlę dowolnego kształtu w jednorodnym polu magnetycznym wynosi zero.
Wypadkowy moment $M$ sił działających na przewodzącą prąd pętlę dowolnego kształtu w jednorodnym polu magnetycznym wyraża się wzorem $\vec{M} = \vec{μ} \times \vec{B}$ , gdzie $\vec{μ}$ jest magnetycznym momentem dipolowym, a $\vec{B}$ indukcją pola magnetycznego.
Magnetyczny moment dipolowy $μ$ równa się iloczynowi liczby zwojów drutu $N$ , natężenia przepływającego przez przewodnik prądu $I$ oraz pola powierzchni pojedynczego zwoju $S$ : $\vec{μ} = N I S \hat{n}$ .

Prostopadłe pola, elektryczne i magnetyczne, wywierają równe co do wartości, przeciwnie zwrócone siły, przy szczególnej prędkości wchodzących w ich obszar cząstek, tym samym działają jak rozdzielacz prędkości. Prędkość ładunków przelatujących bez uginania toru oblicza się za pomocą wzoru $v_{\text{d}} = E / B$ .
Efekt Halla można wykorzystać do pomiaru znaku większościowych nośników ładunku w metalach, a także do pomiaru indukcji pola magnetycznego.

Spektrometr masowy jest urządzeniem, które w wyniku przepuszczenia jonów przez rozdzielacz prędkości, a następnie przez jednorodne pole magnetyczne, rozdziela je ze względu na iloraz ich ładunku oraz masy.
Cyklotrony stosuje się do przyspieszania cząstek naładowanych do wysokich energii kinetycznych na skutek działania pól elektrycznego i magnetycznego.