Manyetizma
Bazı maddeler yapıları gereği birbirlerine karşı itici veya çekici kuvvetler uygularlar. Bu maddelere manyetik madde denir. Manyetik özelliği bulunan maddelerden başlıcaları demir, çelik (demir içermesinden dolayı), nikel ve kobalttır. Manyetik materyallerin kuzey (North – N) ve güney (South – S) olmak üzere 2 kutbu vardır. Hayali manyetik alan çizgileri Kuzey kutbundan çıkıp Güney kutbuna girer. Bu manyetik alan çizgileri hiçbir zaman kesişmezler. Aşağıdaki resimde demir tozlarının içine konan bir mıknatıstan yayılan manyetik alan çizgilerinin demir tozlarını nasıl etkilediğini görebilirsiniz.
1819 yılında, Hollandalı bilim adamı Hans Christian Oersted, manyetizma ile elektrik arasında çok önemli bir ilişki keşfetti. Oersted, bir iletkenden geçen elektrik akımının sadece sürtünmeden dolayı ısı üretmediğini aynı zamanda kendi çevresinde bir manyetik alan oluşturduğunu fark etti. Akımın yönüyle, akımdan dolayı oluşan manyetik alanın yönünü ise 'sağ el kuralı' diye nitelendirilen bir kurala göre belirledi.
" Bu kurala göre sağ elimizin başparmağını akımın (geleneksel akım yönü, + kutuptan ? kutba) yönüne doğru uzatırsak diğer parmaklarımızı kıvırdığımızda manyetik alan çizgilerinin yönünü görebiliriz."
Yandaki resimde de görüldüğü gibi eğer akım (I) yukarı yöndeyse, sağ el kuralına göre manyetik alan çizgileri (B) yukarıdan bakıldığında saat yönünün tersinde oluşur. Sağ elinizle deneyerek de görebileceğiniz gibi, eğer akımın yönü değişirse manyetik alan çizgileri de yön değiştirir.
Oersted?in bu keşfinden sonra 1831 yılında İngiliz bilim adamı Michael Faraday, bir iletkenden geçen akımın manyetik alan oluştururken acaba bir manyetik alanın da bir iletken üzerinde akım oluşturup oluşturamayacağını ( indüksiyon ) merak etti. Bunun üzerinde Faraday aşağıdaki resimdekine benzer bir düzenek hazırladı.
Düşüncesine göre anahtarı kapattığında sağdaki sargı nedeniyle demir çekirdek manyetik olacak ve soldaki sargı da oluşan bu manyetik alan nedeniyle üzerinden akım geçirecekti. İndüklenen bu akım da, Oersted?in keşfine göre pusula etrafında manyetik alan oluşturacak ve pusula iğnesi sapma yapacaktı.
Ancak durum Faraday?ın tahmin ettiği gibi olmadı. Anahtarı kapatıp beklediğinde pusulanın sapmadığını gördü ancak bir şey fark etmişti. İşte bu fark ettiği nokta gelecekte üretilecek motorların ve üreteçlerin temelini oluşturacaktı.
Fark ettiği nokta şu idi; anahtarı kapatıp beklediğinde pusula da herhangi bir sapma olmuyordu ancak anahtarı kapattığı anda pusula çok hızlı bir şekilde sapıyor ve eski pozisyonuna geri dönüyordu. Bunu bir de anahtarı açarak denedi ve gördü ki bu kez pusula çok hızlı bir şekilde ters tarafa sapmış ve eski pozisyonuna geri dönmüştü.
Faraday bu deneyden, akımın beklediği gibi sabit bir manyetik alandan değil değişen manyetik alandan dolayı oluştuğunu (indüklendiğini) anladı ve Faraday Yasası ortaya çıktı.Demir çekirdeğin solundaki iletkeni kesen manyetik alan çizgileri (manyetik akı) değiştiği anda, iletken üzerinde bu değişime karşı koyacak bir akım oluşuyordu ve manyetik alan değişmediği sürece akım kayboluyordu. Değişen manyetik akı ile oluşan akımın yönü arasındaki bu ilişkiyi ise Faraday?dan 2 yıl sonra 1833?te Heinrich Lenz keşfetti.
Faraday Yasası?ndaki (-) işareti Lenz Yasası?ndan gelmektedir. "Lenz yasasına göre manyetik alan değişiminden dolayı indüklenen akım, kendisini oluşturan manyetik alan değişimine zıt bir manyetik alan oluşturacak yönde akar."
Bu keşiflerin ışığında yapılan çalışmalar sonucu günümüz elektrik motorlarının temelini oluşturan önemli buluşlar yapıldı. Bir manyetik alanda üzerinden akım geçen bir iletkenin manyetik bir kuvvete maruz kaldığı görüldü. Bunun sebebi, iletkenin içinde bulunduğu manyetik alan ile, iletkenden geçen akımın oluşturduğu manyetik alanın etkileşimiydi. Bu kuvvetin yönü, iletkenden geçen akım ve ortamdaki manyetik alan arasında yeni bir sağ el kuralı oluşturuldu.
"Yandaki resimde de görebileceğiniz gibi, bu kurala göre sağ elimizin başparmağını, işaret parmağını orta parmağını birbirlerine 90 derece açı yapacak şekilde açarsak; işaret parmağımız akımın yönünü, orta parmağımız manyetik alanın yönünü (Kuzey kutbundan (N), Güney kutbuna doğru (S)) ve başparmağımız da manyetik alanın iletkene uyguladığı kuvvetin yönünü gösterir." Bu bileşenlerin birbirlerine dik olmalarının nedeni aşağıdaki formülde görüldüğü gibi, kuvvetin, akım ve manyetik alanın vektör çarpımı olmasıdır. F = B x I ( vektörel )
Manyetik alan ve akımdan dolayı oluşan bu kuvvet elektrik motorlarındaki hareketi elde etmemizi sağlar.
Yukarıda gördüğümüz Kuvvet, Akım, Manyetik alan ilişkisi elektrik motorlarındaki hareketin olduğu gibi elektrik üreteçlerindeki akımın da temelidir. Yukarıdakine benzer bir şekilde, eğer üzerinden akım geçmeyen bir iletkeni bir manyetik alanda hareket ettirirsek, iletkenin manyetik alanı kesmesi nedeniyle üzerinde bir akım oluşur (indüklenir). Bu da üreteçlerin ( jeneratör ) ana fikridir.
Buradan hareketle aslında her motorun bir üreteç ve her üretecin bir motor olduğunu söyleyebiliriz. Yapısal olarak çok benzerdirler. Ancak motorlar, iletken üzerinden geçen akımdan dolayı oluşan kuvvet sonucu dışarıya mekanik enerji verirken, üreteçler dışarıdan uygulanan tork sonucu indüklenen akımı dışarıya elektrik enerjisi olarak verirler.