Manyetik alan
Manyetik alan nedir?
Manyetik alan hareket eden elektrik yükleri tarafından, zamanla değişen elektrik alanlardan veya temel parçacıklar tarafından dahili üretilir. Manyetik alan vektörel bir büyüklüktür. Herhangi bir noktada yönü ve şiddeti ile açıklanır. Manyetik alan hareket eden elektrik yüküne etki eden Lorentz kuvveti ile tanımlanır.
Manyetik alan, elektrik alan, akım ve onları yaratan yükler arasındaki bağlantı Maxwell denklemleri ile tanımlanır. Özel görelilik kuramı’nda elektrik ve manyetik alan bir nesnenin birbiriyle alakalı iki özelliğidir. Kuantum fiziğinde ise elektromanyetik etkileşimler foton değişimi sonucunda oluşur. Manyetik alanın birçok kullanımı mevcuttur.
Dünya kendi manyetik alanını üretir. Bu manyetik alan pusulanın temel çalışma prensibini oluşturur. Dönen manyetik alan jeneratör ve elektrik motorlarında kullanılır. Manyetik kuvvetler bir malzeme içerisindeki yük taşıyıcılarının sayısı hakkında bilgi verir.
Manyetik alan veya mıknatıssal, bir mıknatısın mıknatıssal özelliklerini manyetik özelliklerini gösterebildiği alandır. Mıknatısın çevresinde meydana gelen çizgilere de, mıknatısın o bölgede meydana getirdiği manyetik alan çizgileri denir. Manyetik alan çizgilerinin yönü kuzeyden (N), güneye (S) doğrudur.
Manyetik alan B harfi ile gösterilir. SI birimi bilim adamı Nikola Tesla’nın soyadı Tesladır. Manyetik alan Lorentz kuvveti kullanılarak ölçülür. Bundan dolayı manyetik alan birimi coulumb-metre/saniye başına Newtondur. Saniye başına coulomba bir amper dendiğinden T=N(Am)-1 olarak da geçer. Tesla günlük olaylar için çok büyük bir birim olduğundan pratikte, gauss (G) kullanılmaktadır. 1 T=104 G
Manyetik Maddelerin Gruplandırılması
Faraday Kanunu: Üzerinden akım geçen iletken bir telin çevresinde manyetik bir alanın ortaya çıktığı 1819 yılında H.C.Oersted tarafından bulunmuştur. 1831 yılında Henry ve Michael Faraday bir devrede manyetik alanın değiştirilmesi ile de elektrik akımının meydana gelebileceğini gösterdiler. Bu sonuç elektrik ve manyetizmayı birleştiren temel ilkelerden biridir. Buna göre faraday-yasasi; bir devrede indüklenen elektromotor kuvvetinin (zıt EMK) büyüklüğü, devreden geçen manyetik akının zamanla değişim hızına eşittir.
Araştırmaları sonucunda maddelerin özellikleri , manyetik alana tepki gösterdiğini ve bu tepki neticesinde etkileşimin olduğunu ortaya koydu. Gösterdikleri tepkiye göre maddeleri üç sınıfta toplanabildiğini gösterdi.
Bu manyetik maddeler nelerdir?
- Diyamanyetik maddeler (Diamagnetik maddeler): Zayıf bir şekilde etkilenenler; Bağıl magnetik geçirgenlikleri µr < 1 olan bu tür maddeler, güçlü bir magnetik alana dik şekilde kendilerini yönlendirirler. Diyamanyetizma (diamagnetizma), tek sayıda elektronlara sahip ve tamamlanmamış içi kabuğu olmayan maddelerde görünür. Magnezyum, potasyum, hidrojen, radyum, bakır, altın, gümüş ve su diyamanyetik sınıfa girerler.
- Paramanyetik maddeler (Paramagnetik Maddeler) : Bağıl magnetik geçirgenlikleri µr > 1 olan bu tür maddeler, güçlü bir magnetik alana paralel şekilde kendilerini yönlendirirler. Paramanyetizma (paramagnetizma) çift sayıda elektronlara sahip maddelerde görülür. Alüminyum, silisyum ve hava paramanyetik sınıfa girer.
- Ferromanyetik maddeler: (Ferromagnetik Maddeler): Kuvvetli bir şekilde mıknatıslardan etkilenen maddelerdir. Kobalt, demir, nikel ve alaşımlarını içeren maddeler bu sınıfa girer.
Manyetik Alan Yoğunluğu
Birim yüzeydeki manyetik alan miktarıdır. Buna göre, manyetik alan birimi Tesla olduğundan manyetik alan yoğunluğunun birimi de Tesla/m2 dir.
Manyetik Kutuplar
Bir mıknatıs kütle merkezinden asıldığında bir ucu kuzeyi diğer ucu güneyi gösterir. Kuzeyi gösteren uca mıknatısın kuzey kutbu (N) , güneyi gösteren uca ise mıknatısın güney kutbu (S) denir. Mıknatısın aynı kutupları birbirini iter, zıt kutupları ise birbirini çeker.
Pusula bir noktadaki manyetik alanın yönünü gösterir. Pusula ince bir mıknatısın bir iğne üzerinde serbest bir şekilde dönebilmesi ile meydana gelir. Bir mıknatıs pusulaya yaklaştırıldığı zaman pusula iğnesi sapma yapar.
Bir mıknatısta;
- Aynı kutuplar birbirini iter, zıt kutuplar birbirini çekerler.
- İtme veya çekme kuvvetleri kutup şiddeti ile doğru, aradaki uzaklığın karesi ile ters orantılıdır.
- Elektriksel yük konusundaki coulomb kuvveti gibi kutupların birbirlerine uyguladıkları manyetik kuvvet skaler olarak birbirine eşit, fakat zıt yönlüdür.
- Bir mıkantıs ikiye bölündüğünde, bölünen her bir parçanın “N”, “S” şeklinde yeniden kutuplaştığı görülür. Bundan anlaşılacağı gibi, atomik boyutlara inildiği zaman bile tek kutuplu mıknatıs elde edilemeyeceğidir.
Manyetik Alan Çizgileri
Manyetik alan, bir mıknatısın kuvvetinin etkili olduğu alandır. Bu etki, bir mıknatısın çevresine demir tozları döküldüğü zaman tozların, kutupların bölgesinde yoğun olmak üzere mıknatısın çevresinde çizgiler oluşturmasından anlaşılır. Bu sebeple manyetik alan, alan çizgileri veya manyetik kuvvet çizgileri şeklinde de tanımlanır.
Manyetik alan çizgilerinin N kutbundan S kutbuna doğru olduğu kabul edilir. Bir pusula manyetik alanın içine konulduğunda pusula manyetik alan yönünde uzanır. (N’den S’ye) Manyetik alan vektörü, bu çizgilere teğet durumdadır. Çizgilerin sık geçtiği yerlerde manyetik alan şiddeti fazladır.
Manyetik Kuvvet Çizgilerinin Özellikleri
- Kuvvet çizgileri kapalı bir devre meydana getiracek şekilde ilerlerler.
- Kuvvet çizgileri birbirlerini iterler (birbirlerine paralel ilerler) ve bundan dolayı kesişmezler.
- Kuvvet çizgilerinin yönü dışarıda N kutbundan S kutbuna doğrudur.
- Manyetik kuvvet çizgileri her maddeyi etkilemese de her maddeden geçerler.
- Zıt yöndeki kuvvet çizgileri birbirlerini zayıflatırlar.
- Aynı yöndeki kuvvet çizgileri, manyetik alanı kuvvetlendirir.
Elektrik akımı ve manyetik alan: Hareket eden elektrik yükleri (akım), manyetik alan oluşturur ve çevresindeki manyetik alanlardan etkilenir.
Hareketli yükler tarafından oluşturulan manyetik alan:
Hareket eden yüklü parçacıklar (örnek. elektron) bir manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alan oluşturma yükün çevresini dairesel olarak sarar. Bunu matematiksel olarak açıklayan kişiler Jean-Baptiste Biot ve Félix Savart’ın onuruna Biot-Savart yasası olarak adlandırılan yasa manyetik alanın şiddetinin yükten uzaklaştıkça azaldığı ve sağ el kuralı ile manyetik alanın yönü kolayca bulunmasını sağlar. Kurala göre iletken avuç içine alacak şekilde tutulduğu zaman ve başparmak akımın yönünü, kalan dört parmak ise iletkende oluşan manyetik alanın yönünü gösterir. Sağ el kuralı ile, çeşitli mıknatıslar ve içinden akım geçen tel çubuklarda akımın, kuvvetin ve manyetik alanın yönü bulunabilir.
Akım taşıyan tel kıvrılırsa, oluşturduğu manyetik alan yoğunlaşır. Kıvrım sayısı arttırılarak manyetik alanın yoğunluğu arttırılır. Doğal mıknatıstan çok daha güçlü çekim kuvvetleri oluşturulabilir. Bundan dolayı solenoitlerin içine demir çekirdek yerleştirilmesi ile elektromıknatıs elde edilir.
- Manyetik alan çizgileri mıknatısın N kutbundan S kutbuna doğrudur.
- Sürtünme yolu ile, dokunmayla ve etki ile geçici mıknatıslık elde edilebilir.
Elektrik akımına ve hareketli yüklere etkiyen manyetik kuvvet:
“B” manyetik alanında, “v” hızıyla hareket eden “q” yüklü parçacığa etki eden manyetik kuvvet Lorentz kuvveti olarak bilinir:
F= qv x B
Lorentz kuvveti; manyetik alan vektörüne ve parçacığın hız vektörüne diktir. “v” ve “B” arasındaki vektörel çarpımdan dolayı, parçacık manyetik alana paralel hareket ederse etkiyen kuvvet sıfırdır. İki vektör birbirine dik olduğu zaman Lorentz kuvveti en büyük değerini alır.
Manyetik kuvvet, parçacığın hızına daima dik olduğu için hızı büyüklüğünü değiştiremez sadece yönünü değiştirebilir. Bu yüzden hızı ve yükü olan bir parçacık manyetik alanda dairesel hareketler yapmaya başlar ve manyetik kuvvet bu dairesel harekette merkezcil kuvvet işlevi yapar.
Akım taşıyan tele etkiyen manyetik kuvvet:
Akım taşıyan teldeki her bir elektrik yüküne “qv x B” kuvveti etki eder, parçacık sayısı ile kuvvet çarpılarak toplam kuvvet bulunur. Kesit alanı “A”, uzunluğu “L” olan bir tel parçasındaki parçacıkların sayısı “nAL” dir. (n birim hacimdeki yük sayısı). Bundan dolayı kuvvetin büyüklüğü “F=qvBnAL” olur. Akımın “I=nqvA” tanımı kullanılırsa bulunur.
F=IL x B
L akım yönünde, büyüklüğü telin boyuna eşit vektördür.
Manyetik kuvvetin yönü sağ el kuralıyla bulunur.
Yerin Manyetik Alanı
Manyetik alan nasıl oluşur? Yerin manyetik alanı, dünyanın sıvı dış çekirdeğindeki konveksiyon akımları ile oluşur. Dış çekirdekteki konveksiyon hareketleri, zaman içinde manyetik alanı meydana getirir. Bu konveksiyon hareketlerinin dünyanın oluşumundan beri meydana geldiği düşünülmektedir. Yeryüzü çekirdeğinin içi katı, dışı sıvı demir termal hareketler ile kendi mağnetik alanlarını oluşturur. Atomların yeterli bir güçle ve düzenli bir şekilde değiştirmesi ve yönlendirmesi kalıcı mıknatıslanmaya sebep olduğu için dünyanın kabuğunda kalıcı mıknatıslanma oluşturur. Dünyayı, etrafı mağnetik alanla çevrelenmiş büyük küresel bir mıknatıs gibi düşünülebilir.
Dünya mağnetik alanı, kuzey ve güney kutupları olan, merkezde yerleşmiş bir dipol mıknatıs (magnetic dipole) çubuk olarak ta tanımlanır. Dünyanın dönüş ekseni ile dipolün ekseni arasında yaklaşık olarak 11 derece fark vardır. Bu kuzey ve güney coğrafi kutuplarla, magnetik kutupların üst üste gelmediğini gösterir. Herhangi bir noktadaki yer manyetik alanı, ölçülen bileşen ve yön ile tespit edilir. Yerin içindeki dev mıknatıs Coğrafi kuzey-güney doğrultusu ile yaklaşık 11-15º lik bir açı yapacak şekilde konumlandığı için pusulanın belirtiği yön tam olarak coğrafi kuzey yönü olmayıp 11-15º arasında sapma yapar.
(Magnetic dipole): Kendinde mıknatıs özellikleri bulunan.
Dönen Manyetik Alan
Dönen manyetik alan, manyetik alanın yönünün, belirli bir açısal hıza sürekli değiştiği durumdur. Bu durum, Alternatif akım motorunun (AC motor) çalışma prensibidir.
Hall Etkisi
Akım taşıyan bir iletken, bir manyetik alan içine yerleştirildiği zaman, hem akıma hem de manyetik alana dik yönde bir potansiyel farkı üretilir. Bu olay 1879’da Edwin Hall tarafından gözlendi. Olay, yük taşıyıcılarının manyetik alandan dolayı manyetik kuvvet sebebi ile, iletkenin bir tarafına doğru sapmalarından kaynaklanır. Hall etkisi, yük taşıyıcıların işareti ve yoğunluğu hakkında bilgi verir. Aynı zamanda manyetik alanların büyüklüklerini ölçmek için de kullanılabilir.
Mıknatıs Etkisinin Ortamdan Geçişi
- Yumuşak demir gibi maddeler ferromanyetiktirler (ferromagnetik); mıknatısın kutupları arasına yerleştirildikleri zaman manyetik alan çizgilerini sıklaştırırlar.
- Magnetik alan çizgilerini zayıflatan maddeler magnetik özellik göstermemektedirler.
Buna karşılık olarak;
-273+500 oC derece üzerinde manyetik özellik kaybolmaktadır. Ve dünyanın manyetik alanı uydusu olan Ay’ın gelgit çekimlerinden etkilenerek tersi yönünde dönen dünya sayesinde meydana gelmektedir.
Manyetik Akı
Manyetik akı “Φ” harfiyle gösterilir. Manyetik akı toplam manyetizmanın ölçüsüdür. Bu yönü ile elektrik yükün manyetik karşılığıdır. Manyetik akı yoğunluğu ise “B” harfiyle gösterilir ve birim kesit alandan geçen manyetik akı miktarının ölçüsüdür.
Manyetik akı birimi weber ‘dir. (Wb) Bu durumda manyetik akı yoğunluğu ise weber/ metre2 dir. (Wb/m2) Ancak uluslararası SI birimlerde Tesla birimi de kullanılır. (T). Buna göre 1 T = 1 Wb/m2.
İletken Etrafında Oluşan Manyetik Alanın ve Zararlı Olduğu Ortamlar
Bir iletkenden akım geçirilince iletken çevresinde bir manyetik alan oluşur. Elektrik akımının manyetik etkisinden faydalanma alanları oldukça fazladır. Ama birçok zararlı etkileri de vardır. Manyetik alanın ve elektrik alanının yaydığı dalgalara elektromanyetik dalga denir. Bazı dalgaların canlılar üzerinde bazı olumsuz etkileri olmaktadır. Bu dalgaların insanın bağışıklık sistemini zayıflattığı ve kanser türü hastalıklara sebep olduğu söylenmektedir.
Bir sistemin manyetik alanı, iyi bir manyetik yalıtım yapılmazsa başka sistemlerin çalışmasını olumsuz etkileyebilir. Örnek olarak, bilgisayar veya televizyonun yanında cep telefonu çalışınca hem parazit sesleri duyulur hem de ekran görüntülerinde bozulmalar oluşur. Özellikle elektronik yöntemler ile hassas sistemlerde ve hassas ölçümlerin yapıldığı yerlerde bu etki sakıncalı sonuçlar doğurabilir
Manyetik alanın sakıncalarını maddeler halinde sıralayacak olursak:
- Canlı metabolizmasını bozarak halsizlik, yorgunluk ve bir takım hastalıklara sebebiyet verebilir.
- Ölçüm cihazlarını etkileyerek yanlış ölçümlere neden olabilir.
- Bazı elektronik cihazların çalışmaları üzerinde olumsuz etkileri görülebilir