Ünite 7: Manyetik Alan

Giriş

Elektrik motorlarının, disk sürücülerinin, hurda taşıyan vinçlerin, hoparlörlerin, kredi kartlarının, mikrodalga fırınların, kapı zillerinin, buzdolabı kapaklarının ve süslerinin, pusulaların, MR görüntüleme cihazlarının ve jeneratörlerin arasındaki ortak nokta nedir? Yukarıda sayılan ve daha sayılamayan birçok cihazın ortak noktası manyetizmadır. Sadece insanoğlu tarafından yapılan cihazların değil doğanın kendisinde de manyetizma önemlidir.

Mıknatıslık ve Manyetik Alan

Mıknatıslar demir, nikel ve kobalt gibi metalleri çekme özelliği gösteren, altın, bakır ve alüminyum gibi metalleri de çekme özelliği göstermeyen maddelerdir. Mıknatıslar doğal olarak bulunabildiği gibi yapay olarak da üretilebilirler. Demir ile oksijenin birleşiminden oluşan Fe ₃ O ₄ bileşiği doğal mıknatıslara bir örnektir. İnsan eliyle yapılan mıknatıslara ise yapay mıknatıslar denilir.

Doğal veya yapay olsun, tüm mıknatıslarda iki manyetik kutup vardır. Bunlar kuzey (N) ve güney (S) kutuplarıdır. Bir mıknatıs kaç parçaya bölünürse bölünsün, oluşan her parça yine N-S kutuplu bir mıknatıs olur. Yani tek kutuplu bir mıknatıs elde edilemez. Bu kutuplar elektrik yükleri gibi birbirleri üzerine kuvvet etki ederler. Aynı kutuplar bir- birini iter, farklı kutuplar ise birbirini çeker.

Bir mıknatıs belli bir sıcaklığın üstünde mıknatıslık özelliğini kaybeder. Mıknatıs tekrar soğutulsa bile mıknatıslık özelliği geri gelmez. Mıknatıslık özelliği gösteren bir maddenin mıknatıslık özelliğinin kaybolduğu sıcaklığa Curie sıcaklığı denir.

Denizciler manyetik kutupları kullanarak yönlerini bulurlar. Mıknatısın kuzey-güney doğrultusunu göstermesi özelliğinden dolayı yapılmış¸ yön bulmaya yarayan aletlere pusula denir. Bir pusula ibresinin daima kuzey-güney doğrultusunda olması dünyanın bir mıknatıslık özelliği gösterdiğinin kanıtıdır. Dünyanın coğrafiği kuzey-güney kutupları ile manyetik kuzey-güney kutupları birbirine karıştırılmamalıdır. Coğrafi eksen dünyanın dönme eksenidir. Dünyanın coğrafi ekseni ile manyetik ekseni arasında bir sapma açısı vardır. Bu açı bulunulan yere göre değişir.

Mıknatıslar manyetik alan kaynağıdır. Bir manyetik alan gözle görülmez ama kuvvet etkisi gözle görülebilir.

Manyetik alan çizgilerinin birbirine paralel olduğu duruma düzgün manyetik alan denir. Eğer düzgün manyetik alan sayfa düzleminden dışa doğru ise • işaretiyle, sayfa düzleminden içe doğru ise × işareti ile gösterilir.

Manyetik alan vektörel bir niceliktir ve B ile gösterilir. Dolayısıyla herhangi bir noktadaki manyetik alanın hem yönü hem de şiddeti vardır. Manyetik alanın yönü bir pusulanın iğnesinin gösterdiği yöndür. Manyetik alanın büyüklüğü ise iki mıknatısın birbirini ne kadar güçlü çekip ittiğini gösterir. Manyetik alanın birimi SI birim sisteminde Tesla (T), CGS birim sisteminde ise Gauss’tur (G).

1 T = 10 ⁴ G

Bu kısmın sonunda manyetik akı kavramını tanımlayalım. Manyetik akı bir yüzeyden dik olarak geçen manyetik alan çizgileri sayısının bir ölçüsüdür. Manyetik akı skaler bir büyüklüktür ve ? ile gösterilir. Bir yüzeyden geçen manyetik akı ifadesi

? = B A cos ?

Burada B manyetik alan şiddeti, A yüzeyin alanı ve ? açısı yüzeye dik olan bir doğruyla (yüzeyin normali) manyetik alan arasındaki açıdır. Örneğin manyetik alan yüzeye paralel olursa (? = 90°) manyetik akı sıfırdır. Eğer manyetik alan yüzeye dik olursa (? = 0°) manyetik akı maksimum değerini alır. Manyetik akının birimi Weber’dir ve Wb harfi ile temsil edilir (1 Wb= 1 Tm ² ). Manyetik akı bir yüzeyden dik olarak geçen manyetik alan çizgileri sayısının bir ölçüsüdür.

Yüklü Bir Parçacığa ve Akım Taşıyan İletkene Etki Eden Manyetik Kuvvet

Yapılan deneyler bize göstermiştir ki, manyetik alan içinde hareket eden yüklü bir parçacığa da manyetik kuvvet etki eder. Mıknatıslar hareketsiz olsa bile birbirini itip çekebilirken, yüklü parçacığa manyetik kuvvet etki etmesi için yüklü parçacığın hareket etmesi gereklidir. Ayrıca hareket yönünün manyetik alan doğrultusunda olmaması gerekir. Hareket eden yüklerin elektrik akımı oluşturduğunu biliyoruz. Dolayısıyla manyetik alan içindeki akım taşıyan bir iletken tele de manyetik kuvvet etki eder.

Manyetik kuvvetin yönü, yükün hızına ve manyetik alanın yönüne daima dik yöndedir. Yükün değeri negatif ise manyetik kuvvetin yönü pozitif bir yüke etki eden manyetik kuvvete göre zıt yönde olur. Deneylerde manyetik kuvvetin, yük ve manyetik alanla doğru orantılı olarak değiştiği de görülmüştür. Bu bulgulara göre yüklü bir parçacığa etki eden manyetik kuvvetin büyüklüğü için aşağıdaki eşitlik türetilmiştir.

F = qvB sin ?

Burada q elektrik yükü, v yüklü parçacığın hızı, B manyetik alanın büyüklüğü ve ? açısı ise hız ile manyetik alan arasındaki açıdır.

Manyetik kuvvet her zaman manyetik alana ve hıza dik yöndedir. Dolayısıyla manyetik kuvvet, yüklü bir parçacığın hareket yönünü değiştirir. Şimdi düzgün manyetik alana dik olarak giren yüklü bir parçacığı ele alalım. Manyetik kuvvetin etkisiyle parçacığın hareket yönü sapmaya başlar ve bunun sonucu olarak manyetik kuvvetin yönü de yörüngeye bağlı olarak sürekli değişir. Sonuç¸ olarak parçacığın hız vektörü sürekli olarak değişir ve parçacık dairesel bir hareket yapar. Parçacığın sürati değişmediği için kinetik enerjisi yörünge boyunca sabittir.

Sağ el kuralından manyetik kuvvetin yönünün dairesel yörüngenin merkezine doğru olduğu bulunabilir. Newton’un etki-tepki yasasına göre bu kuvvete zıt yönde ve eşit değerde bir kuvvet olmalıdır. Bu kuvvet merkezcil kuvvettir. Bu iki kuvvetin büyüklüklerini birbirine eşitlersek;

qvB = mv2 / r

Bu eşitliği kullanarak dairesel yörüngenin yarıçapının formülünü elde ederiz.

r = mv / qB

Görüldüğü gibi parçacığın momentumu arttıkça, yörüngenin yarıçapı da artmaktadır. Manyetik alanın şiddeti arttıkça ise parçacık daha küçük bir bölgeye hapsolur ve dairesel yörüngenin yarıçapı azalır.

Parçacığın r yarıçaplı çember üzerindeki bir dolanımı için geçen zamana periyot adı verilir ve T ile gösterilir. Bu süre çemberin çevresinin parçacığın hızına bölümüne eşittir.

Manyetik kuvvetin yönünü ise sağˆ el kuralı ile buluruz. Sağˆ elimizin dört parmağını akımın yönünde tutalım ve sonra onları manyetik alanın yönünde yönelinceye kadar bükelim. Açılan başparmak kuvvetin yönünü gösterir. Manyetik kuvvetin yönü her zaman iletken tele ve manyetik alana diktir.

Bir manyetik dipolü, düzgün bir manyetik alan içine koyalım. Manyetik alanın yönü ile dipol momentinin yönü birbirine paralel olmadıkça tork sıfırdan farklıdır. Bu durumda manyetik alanın etkisiyle dipol döner. Dönme ekseni, manyetik alan ile dipol momentinin yönüne diktir. Kuvvetin döndürücü etkisi olan tork aşağıdaki eşitlikle bulunur.

? = µ B sin ?

Burada ? (tau) tork, µ manyetik dipol momenti, B manyetik alanın büyüklüğü ve ? açısı manyetik dipol momenti ile manyetik alanın arasındaki açıdır.

Elektrik enerjisini mekanik enerjiye çeviren elektrik motorları iki ana gurupta incelenir.

Doğru akım motorlar (DC motorlar): Doğru akım ile çalışan motorlara denir. Pil ile çalışan oyuncak motorlar, otomobildeki marş motorlar, kol saatindeki motorlar DC motorlardır.

Alternatif akım motorlar (AC motorlar): Alternatif akım ile çalışan motorlara denir. Bu tip motorlar, gerek evlerde, gerekse sanayide en çok kullanılan elektrik motorlardır. Çamaşır makinesinin ve elektrik süpürgesinin motoru AC motorlardır.

Manyetik alanın şiddetinin ve yönünün ise akımın değeri ve yönüyle kontrol edilebileceğini gözlemiştir. Akım taşıyan bir iletken telin civarındaki bir noktada oluşan manyetik alanın büyüklüğü için aşağıdaki ifadeler deneysel olarak bulunmuştur.

1. Akımla doğru orantılıdır,
2. Uzaklıkla ters orantılıdır,
3. İletken telin geometrik sekline bağlıdır,
4. Ortamın manyetik geçirgenliğine bağlıdır.

Akım taşıyan iki iletken tel birbirine kuvvet uygular. Tellerden birisi diğeri üzerinde manyetik alan oluşturur. Böylelikle akım taşıyan diğer tele manyetik kuvvet uygulanmış¸ olur.

Maddenin Manyetik Özellikleri

Maddeleri elektrik, manyetik, optik, termal vb. gibi fiziksel özelliklerine göre sınıflandırırız. Örneğin elektriksel özelliklerine göre maddeler iletkenler ve yalıtkanlar olarak iki ana sınıfta incelenir. Benzer şekilde maddeler manyetik özelliklerine göre farklı sınıflarda incelenir. Bunlar diyamanyetik, paramanyetik ve ferromanyetik maddelerdir. İlk iki gruptaki maddeler genel olarak zayıf bir mıknatıslanma özelliği gösterirken, son guruptaki maddeler belirli bir sıcaklığın üstüne çıkmadıkça dış¸ manyetik alandan kuvvetlice etkilenir. Maddeleri manyetik özelliklerine göre sınıflandırırken aşağıda tanımlayacağımız bağıl manyetik geçirgenlik katsayısını kullanırız. Diyamanyetik, paramanyetik ve ferromanyetik maddelerin bağıl manyetik geçirgenlikleri sırasıyla 1’den biraz küçük, 1’den biraz büyük ve 1’den çok büyüktür.

Uygulanan manyetik alana ters yönde zayıf bir manyetik alan üretirler. Dolayısıyla diyamanyetik malzemeler manyetik alan tarafından ancak hassas aletler ile ölçülebilecek derecede zayıf bir şekilde itilir. Uygulanan manyetik alan kalktığında manyetik özelliklerini koruyamazlar.

Paramanyetik malzemeler uygulanan manyetik alana doğru çekilirler. Çekim kuvveti uygulanan manyetik alanla doğru orantılı, sıcaklıkla ters orantılıdır. Bu kuvvet oldukça zayıf bir kuvvettir ve ancak hassas aletlerle ölçülebilir. Manyetik alan kalktığında manyetik özelliklerini koruyamaz. Alüminyum, magnezyum, sodyum ve oksijen paramanyetik maddelere örnektir.

Bağıl manyetik geçirgenlik katsayıları 1’den çok büyük olan bu maddeler mıknatıs tarafından kuvvetlice çekilirler. Bu esnada mıknatıslık özelliği kazanırlar ve dış¸ manyetik alan kalksa bile mıknatıslık özellikleri belli bir süre daha devam eder. Ferromanyetik maddeler kalıcı mıknatıs yapımında kullanılır.

Faraday ve Lenz Yasaları

1831 yılında İngiliz bilim insanı M. Faraday, bobin telleri içinde sürekli hareket ettirilen mıknatısın elektrik akımı oluşturduğunu keşfetti. Faraday’ın yaptığı deneylerin sonuçları günümüzde Faraday yasası olarak bilinmektedir.

Faraday yasasına göre bir devrede indüklenen emk, devreden geçen manyetik akının zamanla değişiminin negatifine eşittir. Faraday yasasına göre zamanla değişen manyetik akı bir devrede indüksiyon emk’sı oluşturur.

Faraday yasası indüksiyon akımının manyetik akının zamanla değişiminin sonucu olarak oluştuğunu söyler.

Fakat oluşan akımın yönünü belirlemez. Bir devredeki indüksiyon akımının yönü Lenz yasasıyla bulunur. Lenz yasasına göre, bir devre manyetik akı değişimine tepki gösterir ve bu değişimi sıfırlayacak bir manyetik akı oluşturur. Dolayısıyla indüksiyon akımı kendisini oluşturan manyetik alana zıt yönde bir manyetik alan oluşturacak yönde oluşur.

Mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren aletlere jeneratör denilir. Bunun tam tersini yani elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren aletlere ise elektrik motoru denilir.

Trafo, transformatör sözcüğünün kısaltılmışıdır. Trafolar doğru akım devrelerinde değil, alternatif akım devrelerinde kullanılırlar.