แนวคิดของสนามแม่เหล็กเป็นพื้นฐานในการทำความเข้าใจแม่เหล็กและการประยุกต์ในฟิสิกส์ สนามแม่เหล็กเป็นสนามที่มองไม่เห็นรอบๆ แม่เหล็กที่ออกแรงกับแม่เหล็กอื่นๆ หรือวัสดุแม่เหล็ก เช่น เหล็ก สนามนี้คือสิ่งที่ช่วยให้แม่เหล็กดึงดูดหรือผลักกันโดยไม่ต้องสัมผัสกัน
สนามแม่เหล็กเป็นสนามเวกเตอร์ที่อธิบายอิทธิพลของแม่เหล็กที่มีต่อประจุไฟฟ้าที่เคลื่อนที่ กระแสไฟฟ้า และวัสดุแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นโดยกระแสไฟฟ้า ซึ่งอาจเป็นกระแสขนาดมหภาคในสายไฟหรือกระแสระดับจุลภาคที่เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนในวงโคจรของอะตอม สนามแม่เหล็กที่จุดใดๆ ถูกกำหนดโดยทั้งทิศทางและขนาด (หรือความแรง) ด้วยเหตุนี้ มันคือสนามเวกเตอร์
สนามแม่เหล็กสามารถมองเห็นได้โดยใช้เส้นสนามแม่เหล็ก เส้นเหล่านี้เริ่มต้นที่ขั้วเหนือของแม่เหล็กและสิ้นสุดที่ขั้วใต้ ความหนาแน่นของเส้นเหล่านี้บ่งบอกถึงความแรงของสนามแม่เหล็ก: ยิ่งเส้นอยู่ใกล้มากเท่าไร สนามแม่เหล็กก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น เส้นสนามแม่เหล็กไม่เคยตัดกัน
ความแรงและทิศทางของสนามแม่เหล็กอธิบายได้ด้วยเวกเตอร์ เวกเตอร์นี้แสดงเป็น \(\vec{B}\) โดยที่ \(B\) แทนขนาดของสนามแม่เหล็ก และลูกศรระบุทิศทาง หน่วยของความแรงของสนามแม่เหล็กในระบบหน่วยสากล (SI) คือเทสลา (T)
สนามแม่เหล็กเนื่องจากประจุเคลื่อนที่ \(q\) ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว \(\vec{v}\) ในสนามแม่เหล็กอธิบายไว้ในกฎแรงลอเรนซ์ ซึ่งกำหนดโดย:
\( \vec{F} = q(\vec{v} \times \vec{B}) \)โดยที่ \(\vec{F}\) คือแรงที่กระทำต่อประจุ \(q\) คือประจุ \(\vec{v}\) คือความเร็วของประจุ และ \(\vec{B}\) คือเวกเตอร์สนามแม่เหล็ก สัญลักษณ์ \(\times\) แสดงถึงผลคูณกากบาท ซึ่งหมายความว่าแรงตั้งฉากกับทั้งความเร็วของประจุและสนามแม่เหล็ก
สนามแม่เหล็กเกิดจากการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านเส้นลวดจะสร้างสนามแม่เหล็กรอบเส้นลวด กฎมือขวาช่วยในการกำหนดทิศทางของสนามแม่เหล็กรอบตัวนำที่มีกระแสไหลอยู่: หากคุณชี้นิ้วโป้งของมือขวาไปตามทิศทางของกระแส นิ้วของคุณจะขดไปรอบ ๆ ทิศทางของสนามแม่เหล็ก
โลกเองก็ทำหน้าที่เหมือนแม่เหล็กขนาดยักษ์ที่มีสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กของโลกนั้นคล้ายคลึงกับแม่เหล็กแท่งซึ่งมีเส้นสนามแม่เหล็กที่ทอดยาวจากขั้วแม่เหล็กใต้ไปยังขั้วแม่เหล็กเหนือ สนามแม่เหล็กของโลกช่วยปกป้องโลกจากลมสุริยะโดยการเบนอนุภาคที่มีประจุออกไป
แม่เหล็กมีอยู่ในหลายแง่มุมของชีวิตประจำวัน ตั้งแต่เข็มทิศที่ใช้สนามแม่เหล็กโลกในการนำทาง ไปจนถึงแถบแม่เหล็กบนบัตรเครดิต หรือแม้แต่ในเทคโนโลยีทางการแพทย์ เช่น Magnetic Resonance Imaging (MRI) ซึ่งใช้สนามแม่เหล็กแรงสูงเพื่อสร้างภาพภายในร่างกาย
การประยุกต์ใช้สนามแม่เหล็กที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในเทคโนโลยีคือแม่เหล็กไฟฟ้า โดยการพันลวดรอบแผ่นเหล็กแล้วให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านเส้นลวด จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กแรงสูง หลักการนี้ใช้ในมอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
สนามแม่เหล็กสามารถสังเกตและศึกษาได้จากการทดลองง่ายๆ หลายอย่าง ตัวอย่างเช่น การโปรยตะไบเหล็กรอบๆ แม่เหล็กจะเผยให้เห็นรูปแบบของเส้นสนามแม่เหล็ก การตะไบแต่ละครั้งจะกลายเป็นแม่เหล็กเล็กๆ และเรียงตัวไปตามเส้นของสนามแม่เหล็ก ซึ่งแสดงทิศทางและความแรงของสนามได้อย่างเห็นได้ชัด
สนามแม่เหล็กเป็นลักษณะพื้นฐานของฟิสิกส์ที่ส่งผลต่อหลายแง่มุมของโลกธรรมชาติและเทคโนโลยี ตั้งแต่ขนาดมหภาคของสนามแม่เหล็กโลกที่ปกป้องสิ่งมีชีวิตจากลมสุริยะ ไปจนถึงขนาดกล้องจุลทรรศน์ของอะตอมที่มีส่วนทำให้เกิดคุณสมบัติทางแม่เหล็กของวัสดุ สนามแม่เหล็กมีบทบาทสำคัญ การทำความเข้าใจสนามแม่เหล็กและการประยุกต์ของสนามแม่เหล็กไม่เพียงแต่ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการทำงานของจักรวาลเท่านั้น แต่ยังทำให้เกิดความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่มีผลกระทบสำคัญต่อชีวิตประจำวันของเราอีกด้วย
