... konulu sunumlar: "1 Manyetik Alanlar ve Manyetik Alan Kaynakları. 2 İçerik Analizi A-)Manyetik Alanlar a-)Manyetik alan b-)Akım taşıyan bir iletkene etkiyen manyetik kuvvet."— Sunum transkripti:
1
1 Manyetik Alanlar ve Manyetik Alan Kaynakları
2
2 İçerik Analizi A-)Manyetik Alanlar a-)Manyetik alan b-)Akım taşıyan bir iletkene etkiyen manyetik kuvvet c-)Yüklü bir parçacığın düzgün bir manyetik alan içerisindeki hareketi d-)Bir manyetik alan içerisinde hareket eden yüklü parçacıklarla ilgili uygulamalar B-)Manyetik Alanın Kaynakları a-)İki paralel iletken arasındaki manyetik kuvvet b-)Bir solenoidin manyetik alanı c-)Manyetik akı d-)Madde içinde manyetizma e-)Yerin manyetik alanı
3
3 Manyetik Alan Tuğba KALE
4
4 Manyetik Alan Manyetizma bilgisi belirli bazı taşların (manyetit),demir tozlarını çekmesinin gözlenmesiyle başlamıştır. Manyetizma sözcüğü ise, bu taşların bolca bulunduğu Anadolu’daki Manisa adlı yörenin isminden kaynaklanır. Elektrik yüklü bir çubuk nasıl çevresinde bir elektrik alan oluşturuyorsa, içinden akım geçen bir tel veya bir mıknatıs da çevresinde bir manyetik alan oluşturur.
5
5 Manyetik Alan (devamı) Tarihsel olarak, bir manyetik alanı temsil etmek için B harfi kullanılmaktadır. Herhangi bir yerdeki B manyetik alanının yönü oraya konan pusulanın gösterdiği yöndür. Dünyanın kendisi de doğal bir mıknatıstır ve bir pusulanın ibrelerine belirli bir yön verir.
6
6 (a) bir çubuk mıknatısı çevreleyen manyetik alan deseninin (çizgilerinin) demir tozları ile görünür hale getirilmiş resmi. (b) İki çubuk mıknatısın zıt kutupları arasındaki manyetik alan deseni. (c) İki çubuk mıknatısın aynı cins kutupları arasındaki manyetik alan deseni. abc
7
7 Manyetik Alan (devamı) Manyetik alan ölçülebilen birer fiziksel büyüklük olan q, v ve F B ile tanımlanır. Manyetik alan vektörü B, F B =qv x B bağıntısı ile verilir. Manyetik alan birimi; (Newton/Coulomb)(metre/saniye) -1 dir. Buna SI birim sisteminde tesla adı verilir (T ile gösterilir).
8
8 Deneyebilirsiniz… Demir ya da çelik, zayıf bir manyetik alan (Dünyamızdan kaynaklanan gibi) içerisine yeterince uzun bir süre bırakılırsa mıknatıslanabilir. Bir pusula kullanılarak, aynı yerde yıllarca duran bir çelik dolap, bir dökme demir radyatör veya demir içeren bir metalin yakınındaki manyetik alanı algılayıp algılamadığınıza bakabilirsiniz.
9
9 Deneyebilirsiniz… Bu buzdolabı, mıknatısları uç uca eklenen çok kısa çubuk mıknatıslara benzer. Eğer bir buzdolabı mıknatısının arkasını bir diğerinin arkasında çembersel bir yörünge çizecek biçimde kaydırırsanız iki kuzey ve güney kutup birbirlerini geçerken bir titreşim hissedebilirsiniz.
10
10 Bir B manyetik alanında hareket eden yüklü bir parçacığa etkiyen manyetik kuvvetin özellikleri F B Manyetik kuvvetinin büyüklüğü ve yönü,parçacığın hızına ve B manyetik alanının büyüklüğü ve yönüne bağlıdır. Yüklü bir parçacık manyetik alan vektörüne paralel yönde hareket ettiği zaman ona etkiyen manyetik kuvvet sıfırdır.
11
11 Bir B manyetik alanında hareket eden yüklü bir parçacığa etkiyen manyetik kuvvetin özellikleri (devamı) Parçacığın hız vektörü manyetik alanla bir θ≠0 açısı yaptığı zaman, manyetik kuvvet hem v, hem de B ye dik yönde etki eder. Yani F B, v ve B nin oluşturduğu düzleme diktir.
12
12 Bir B manyetik alanında hareket eden yüklü bir parçacığa etkiyen manyetik kuvvetin özellikleri (devamı) Bir pozitif yüke etkiyen manyetik kuvvet, aynı yönde hareket eden bir negatif yüke etkiyen kuvvetin yönüne terstir. Eğer parçacığın hız vektörü B nin yönü ile bir θ açısı yaparsa, parçacığa etkiyen manyetik kuvvetin büyüklüğü sinθ ile orantılır.
13
13 Sağ El Kuralı: Bir manyetik alan içerisinde v hızı ile hareket eden q yüküne etkiyen manyetik kuvvetin yönünü bulmaya yarayan sağ el kuralı. F B =qv x B v x B
14
14 Manyetik alan içerisinde hareket eden bir yüklü parçacığa etkiyen manyetik kuvvetin büyüklüğü Manyetik kuvvetin büyüklüğü; F B =|q|vB sin θ bağıntısıyla verilir. Burada θ, v ile B nin arasındaki küçük açıdır. Bu eşitlikten, v, B ye paralel ya da antiparalel olduğunda (θ=0 veya 180°) F sıfır olur. Öte yandan, v, B ye dik olduğunda (θ=90°) kuvvet, F B,maks =|q|vB ile verilen maksimum değerini alır.
15
15 Elektrik ve manyetik kuvvetler arasında bir çok önemli farklar vardır: Elektrik kuvveti, her zaman elektrik alanına paralel, buna karşın manyetik kuvvet manyetik alana dik olarak etkir. Elektrik kuvveti, yüklü parçacığın hızından bağımsızdır. Halbuki manyetik kuvvet yalnızca yüklü parçacık hareket halinde ise ona etki edebilir. Elektrik kuvveti yüklü bir parçacığın konumunu değiştirerek iş yapar, buna karşın kararlı bir manyetik alandan kaynaklanan manyetik kuvvet, parçacık yer değiştirdiğinde iş yapmaz.
16
16 Manyetik alan bir parçacığın hızının büyüklüğünü değiştiremez. V hızı ile hareket eden bir yüke uygulanan manyetik alan onun hız vektörünün yönünü değiştirebilir fakat hızın büyüklüğü veya kinetik enerjisini değiştiremez.
17
17 Manyetik alanda hareket eden bir elektron Örnek 29.1 Bir televizyonun resim tüpündeki bir elektron x ekseni boyunca 8,0x10 6 m/s lik bir süratle tüpün önüne(ekran) doğru ilerliyor.tüpün boynuna sarılan telden yapılmış kangallar 0,025 T büyüklüğünde bir alan oluştururlar. Bu alan xy düzleminde olup x-ekseni arasındaki açı 60° dir. Elektrona etkiyen manyetik kuvveti ve elektronun ivmesini bulunuz. -e B x v FBFB z y 60°
18
18 Çözüm: F B =|q|vB sinθ =(1,6x C)(8,0X10 6 m/s)(0,025T)(sin60°) =2,8x N v x B pozitif z yönünde (sağ el kuralına göre) ve yük negatif olduğunda, F B negatif z yönündedir. elektronun kütlesi 9,11 x kg dır, bu nedenle ivmesi, a=F B /m e =(2,8x N)/(9,11X kg)=3,1x10 16 m/s 2 Olup negatif z yönündedir.
19
19 Akım Taşıyan Bir İletkene Etkiyen Manyetik Kuvvet Tuğba KALE
20
20 Akım Taşıyan Bir İletkene Etkiyen Manyetik Kuvvet Akım hareket halinde bulunan bir yük topluluğudur. Manyetik alan, hareket halinde bulunan yüklü bir parçacığa, çizgisel yörüngesinden saptırıcı bir kuvvet uygular. Aynı şekilde bir kuvvetin, içinden akım geçen bir tel üzerinde oluşması da beklenebilir.
21
21 Akım Taşıyan Bir İletkene Etkiyen Manyetik Kuvvet (devamı) Tek bir yüklü parçacık, bir manyetik alan içerisinden geçerken bir kuvvet etkisinde kalıyorsa, üzerinden akım geçen bir tele de manyetik alan içinde kuvvet etkimesi olur. Bu, akımın çok sayıda yüklü parçacıktan oluşmasının bir sonucudur; bu yüzden tele etkiyen net kuvvet, akımı oluşturan tüm yüklü parçacıklara etkiyen bireysel kuvvetlerin vektörel toplamıdır. Parçacıklara etkiyen kuvvet, parçacıklar teli oluşturan atomlara çarptıkları zaman tele iletilmiş olur.
22
22 (a) Bir mıknatısın kutupları arasına düşey olarak asılmış bir tel (b) Mıknatısın kuzey kutbundan güney kutbuna doğru bakıldığında (a) şıkkındaki kurgunun görünüşü olup manyetik alanın(mavi çarpı işaretli) sayfa düzleminin içine doğru olduğunu gösterir. (c)Telde akım yukarı olduğundan, tel sola doğru sapar. (d)Akım aşağı yönde olduğunda ise tel sağa doğru sapar.
23
23 Bir B manyetik alanı içerisine yerleştirilmiş bir akım-taşıyan tel parçası. Alanı oluşturan her bir yüke etkiyen manyetik kuvvet, qv s x B olup L uzunluğundaki parçaya etkiyen net kuvvet IL x B dir
24
24 Bir v s sürüklenme hızı ile hareket eden q yüküne etkiyen manyetik kuvvet qv s x B bağıntısıyla verilir. Tele etkiyen toplam kuvveti bulmak için, bir yüke etkiyen qv s x B kuvveti, tel parçasında bulunan yük sayısı ile çarpılır. Parçanın hacmi AL olduğu için içindeki yük sayısı nAL dir. Burada n birim hacimdeki yük sayısıdır. Sonuç olarak uzunluğu L olan tele etkiyen toplam manyetik kuvvet F B =(qv s x B)nAL dir.
25
25 Bir B dış manyetik alanı içerisinde I akımı taşıyan keyfi biçimli bir tel manyetik kuvvet etkisindedir. Herhangi bir ds parçasına etkiyen kuvvet, / ds x B ile verilir ve sayfadan dışa doğru yönelmiştir. Bu kuvvetin yönünü sağ-el kuralını uygulayarak doğrulayabilmelisiniz.
26
26 Düzgün bir manyetik alan içerisindeki herhangi bir kapalı akım ilmeğine etkiyen net manyetik kuvvet sıfırdır.
27
27 gösterilen tellerin dördü de aynı manyetik alanın içinde A noktasından B noktasına aynı akımı taşımaktadır. Tellerin hissettikleri kuvvetleri büyükten küçüğe doğru sıralayın.
28
28 Yüklü Bir Parçacığın Düzgün Bir Manyetik Alan İçerisindeki Hareketi Fatoş BÖLÜKBAŞI
29
29 Yüklü Bir Parçacığın Düzgün Bir Manyetik Alan İçerisindeki Hareketi Bir manyetik içerisinde hareket eden yüklü bir parçacığa etkiyen kuvvetin her zaman parçacığın hızına dik ve bu nedenle manyetik alanın parçacık üzerinde yaptığı işin sıfır olduğunu bulduk.
30
30 Yüklü Bir Parçacığın Düzgün Bir Manyetik Alan İçerisindeki Hareketi (devamı) Şimdi düzgün bir manyetik alan içerisinde hareket eden pozitif yüklü bir parçacık ele alıp,bunun hız vektörünün başlangıçtaki alana dik olduğu özel durumu hep birlikte inceleyelim.
31
31 Yüklü parçacığın,düzlemi manyetik alana dik olan bir çember üzerinde, hareket ettiğini göstermektedir.
32
32 Bu hareketin nedeni; F B Manyetik kuvvetin v ve B ile dik açı yapması ve qvB ye eşit,sabit bir büyüklüğe sahip olmasıdır. Şekilde ki gibi F B kuvveti parçacığa saptırdıkça v ve F B nin yönleri sürekli olarak değişir.F B her zaman çemberin merkezine baktığı için v nin Yalnız yönünü değiştirebilir,büyüklüğünü değiştiremez.
33
33 Dönme yönü, pozitif bir yük için saat yönünün tersidir. q negatif olsaydı,dönme yönü saat yönünde olacaktı.
34
34 Bir Manyetik kuvveti,yüklü bir parçacığı,bir çemberin üzerinde tutabilmek için gerekli merkezcil kuvvet: Bu kuvvet, m kütlesi ile v 2 /r merkezcil ivmesinin çarpımıdır. Buna Göre; Yörüngenin yarıçapı parçacığın çizgisel (doğrusal) momentumu (mv) ile doğru,yükün ve manyetik alanın büyüklüğü ile ters orantılıdır.
35
35 Dönen yüklü parçacığın açısal hızı; Parçacığın Hareket Periyodu ; [Bir dolanım için geçen zaman ] Çemberin çevresinin parçacığın çizgisel hızına bölümüne eşittir.
36
36 Dairesel Hareketin açısal hızının ve periyodunun ; -Parçacığın çizgisel Hızına, -Yörüngenin yarıçapına bağlı olmadığını görmekteyiz. Bu formüllere göre;
37
37 Düzgün bir manyetik alana paralel bir hız bileşeni olan yüklü parçacık,Helis Biçimli bir yol izler. Yüklü bir parçacık,düzgün bir manyetik alan içerisinde,hızı, B ile keyfi bir açı yapacak biçimde hareket ederse,yolu bir helistir. Helis=Sarmal biçimli Örneğin;sarmaşıkların ağaçlara dolanması
38
38 Örneğin; Alan x yönünde ise kuvvetin x yönünde hiçbir bileşeni yoktur ve bu nedenle ax=0 ve hızın x bileşeni,vx, sabit kalır.Ayrıca manyetik kuvvet qvxB,vy ve vz bileşenlerinin zamanla değişmelerine neden olur ve bileşke kuvvet ekseni B alanına paralel olan bir Helistir.
39
39 Örnek : Düzgün Bir Manyetik Alana Dik olarak Hareket Eden Proton Bir proton hızına 0,35 T büyüklüğünde düzgün bir manyetik alan içerisinde 14 cm yarıçaplı bir çember üzerinde hareket ediyor. Protonun çizgesel hızını bulunuz.
40
40 Çözüm :
41
41 Yüklü Parçacıkların,Düzgün Olmayan Bir Manyetik Alan İçerisindeki Hareketi Yüklü parçacıkların düzgün olmayan bir manyetik alan içerisindeki hareketleri oldukça karmaşıktır.
42
42 Manyetik şişe Uçlarda kuvvetli, ortada zayıf bir manyetik alan,içerisindeki yüklü parçacıklar,uç noktalar arasında ileri geri salınım hareketi yapabilirler. Bir uçtan harekete geçen bir yüklü parçacık,diğer uca ulaşıncaya kadar alan çizgileri boyunca Spiral çizer, diğer uca ulaşınca geri döner ve tekrar spiral çizer. Bu şekillenmeye Manyetik Şişe denir.
43
43 Manyetik Şişe (devamı) Bu manyetik şişe,elektronlardan ve iyonlardan oluşan ve Plazma adı verilen bir gazı hapsetmek amacıyla kullanılmaktadır. Böyle bir plazma-hapsetme yöntemi, kontrollü çekirdek birleştirme [Füzyon] sürecini başarmada önemli bir rol oynayabilir. Füzyon reaksiyonu ile hemen hemen sonsuz bir enerji kaynağı elde etmek mümkündür.
44
44 Ancak Manyetik Şişenin kendi problemleri mevcuttur. Yüklü Parçacıklar içerisinde tuzaklanabilir.Çok sayıda parçacık tuzaklanırsa, parçacıkların birbirleri ile çarpışmaları onların sistemden sızmalarına neden olacaktır.
45
45 Van Allen Işınım Kuşakları Dünyayı saran yüklü parçacıklardan (çoğunlukla elektronlar ve protonlar) oluşur. Dünya’nın düzgün olmayan manyetik alanının tuzakladığı yüklü parçacıkları
46
46 Dünya’nın düzgün olmayan manyetik alanının tuzakladığı yüklü parçacıklardan oluşan Van Allen kuşakları. Alan çizgileriParçacıkların Yolları
47
47 Bir Manyetik Alan İçerisinde Hareket Eden Yüklü Parçacıklarla İlgili Uygulamalar Neval İLHAN
48
48 Bir Manyetik Alan İçerisinde Hareket Eden Yüklü Parçacıklarla İlgili Uygulamalar Hem bir E elektrik alanı hem de bir B manyetik alan icerisinde v hizi ile hareket eden bir yük, elektrik kuvveti qE ve manyetik kuvvet qvxB nin ikisininin de etkisindedir. Yüke etkiyen toplam kuvvet(Lorentz Kuvveti) ‘dir
49
49 Hız Seçici Düzgün bir elektrik alanı düşey olarak aşağıya doğru yönelmiş düzgün bir manyetik alan ise elektrik alana dik olarak uygulanır. Birbirine dik elektrik ve manyetik alanların içinden,ancak süratına sahip parçacıklar sapmadan geçebilir.
50
50 Hız Seçici (devamı) Bundan daha büyük süratla hareket eden parçacıklara etkiyen manyetik kuvvet, elektrik kuvvetinden daha şiddetlidir ve bu parçacıklar yukarı doğru saptırırlar. Bundan daha küçük süratlılar ise aşağı doğru saptırırlar.
51
51 Kütle Spektrometresi İyonları kütlelerinin yüklerine oranına göre ayıran düzenektir. Bainbridge kütle spektrometresi denen bir tipde, bir iyon demeti önce bir hız seçiciden geçer ve sonra hız seçicideki manyetik alanla aynı yönde yönelmiş ikinci bir düzgün manyetik alanına girer.
52
52 Kütle Spektrometresi (devamı)
53
53 Hızlandırıcı(Siklotron) Yüklü parçacıkları çok yüksek süratlara kadar hızlandırabilen bir makinedir. Elektrik ve manyetik kuvvetlerin her ikisi de bir anahtar rolü oynar. Siklotrondan çıkan yüksek enerjili parçacıklar, atomik çekirdekleri bombalamak ve ve böylece araştırmacıların gereksinim duyduğu çekirdek tepkimelerini oluşturmak için kullanılır.
54
54 Hızlandırıcı(Siklotron) (devamı) Birçok hastane, teşhis ve tedavide kullanılabilen radyoaktif maddeleri oluşturmak amacıyla, siklotron olanakları kullanılmaktadır.
55
55 İki Paralel İletken Arasındaki Manyetik Kuvvet Neval İLHAN
56
56 İki Paralel İletken Arasındaki Manyetik Kuvvet Aynı yönde ve akımları taşıyan ve aralarındaki uzaklık a olan iki uzun, doğrusal ve paralel teli inceleyelim. akımını taşıyan tel-2, tel-1’in bulunduğu konumda bir alanı olusturur. ‘nin yönü tel-1’e diktir. Tel-1’in l uzunluğuna etkiyen manyetik kuvvet ‘dir.
57
57 İki Paralel İletken Arasındaki Manyetik Kuvvet
58
58 İki Paralel İletken Arasındaki Manyetik Kuvvet
59
59 İki Paralel İletken Arasındaki Manyetik Kuvvet Aynı yönde akım taşıyan paralel teller birbirlerini çeker, buna karşın zıt yönlerde akım taşıyan paralel teller ise birbirlerini iterler(Newton’un etki-tepki yasası).
60
60 Bir Yüklü Parçacıkları İçeren Manyetik Alan İçerisinde Hareket Eden Uygulamalar Hem bir E elektrik alanı hem de bir B manyetik alan icerisinde v hizi ile hareket eden bir yük, elektrik kuvveti qE ve manyetik kuvvet qvxB nin ikisininin de etkisindedir. Yüke etkiyen toplam kuvvet(Lorentz Kuvveti) ‘dir
61
61 Bir Solenoidin Manyetik Alanı Dilek YURTSEVEN
62
62 SOLENOİD NEDİR? Solenoid (akım makarası), helis biçiminde sarılmış uzun bir teldir. Sarımların her birine bir çember gözüyle bakılabilir ve net manyetik alan tüm sarımlardan kaynaklanan alanların vektörel toplamıdır.
63
63 BİR SOLENOİDİN MANYETİK ALANI İçinden akım geçen iletkenlerin etrafında manyetik alanın oluşması bir çok alanda yararlı sonuçlar doğuran bir gerçektir. Solenoid biçiminde sarılan iletkenlerden geçen akımın solenoid içerisinde yarattığı manyetik alan çizgileri birbirlerini güçlendirecek şekilde oluşur ve mıknatısın yarattığı mekanik çekim kuvveti elektik enerjisi yardımı ile elde edilmiş olur. Bu fiziksel özellikler motorların (elektrikten hareket üretimi), jeneratörlerin (elektrikten hareket üretimi) ve elektromanyetik enerji dönüşümü (örneğin tokmaklı kapı zili) yapan tüm cihazların temel çalışma prensibini teşkil eder.
64
64 BİR SOLENOİDİN MANYETİK ALANI BİR ELEKTROMIKNATIS YAPALIM Bir demir çubuk, 4, 5, 6 veya 9 voltluk bir batarya ve biraz yalıtılmış tel ile kendimize bir elektromıknatıs yapabiliriz. Bir solenoid elde etmek için teli bir kalemin etrafında sıkıca saralım. Solenoid’in uçlarını bataryanın uçlarına bantla bağlayalım. Elde ettiğimiz elektromıknatıs pusulayı etkileyebilecek güce sahip olsa da herhangi bir metali çekemeyecek kadar zayıf olacaktır. Kalem yerine bir demir çubuk kullanırsak topluiğne veya ataşı çekecek güçte bir elektromıknatıs elde ederiz.
65
65 Manyetik Akı Dilek YURTSEVEN
66
66 MANYETİK AKI NEDİR? Manyetik akı bir yüzeyden geçen manyetik alan çizgileri sayısının bir ölçüsüdür. Manyetik akı birimi weber dir.
67
67 MANYETİK AKI Yandaki şekilde düzgün B manyetik alanına konulmuş bir yüzey görülmektedir. N ile gösterilen vektör yüzeyin normalidir ve yüzeye her zaman diktir. B ile gösterilen vektör ise ortamdaki manyetik alanın yönünü göstermektedir. Yüzeyden geçen manyetik akıyı veren ifade: olur. sembollerin anlamları ve birimleri yandaki gibidir :
68
68 MANYETİK AKI Manyetik alan, düzlemin yüzeyine paralel olduğu zaman, düzlemden geçen akı sıfırdır.(a) Manyetik alan düzleme dik olduğunda düzlemden geçen akı maksimumdur.(b)
69
69 Madde İçinde Manyetizma Ezgi Arzu GÜNEŞ
70
70 Madde İçinde Manyetizma Bir tel sargıdaki akımın oluşturduğu manyetik alan, bazı maddelerin kuvveti manyetik özellikler göstermelerinin nedeni konusunda ipucu vermektedir. Genelde, herhangi bir akım ilmeği,bir manyetik alana ve buna karşılık gelen bir manyetik momente sahiptir. Buna atomun bazı modellerinde betimlenen atomik düzeydeki akım-ilmekleri de dahildir.
71
71 Bu nedenle, mıknatıslanmış bir maddedeki manyetik momentlerin, bu atomik düzeydeki akım ilmeklerinden kaynaklandığı söylenebilir. Atomun Bohr modeli için, bu akım ilmekleri çekirdeklerin etrafında çembersel yörüngelerde bulunan elektronların hareketlerinden kaynaklanır. Madde İçinde Manyetizma
72
72 Ayrıca, elektronların,protonların,nötronların ve diğer bazı parçacıkların;”spin” denen bir iç özelliğinden kaynaklanan bir başka manyetik moment daha vardır. Madde İçinde Manyetizma
73
73 Öncelikle,elektronların oldukça ağır bir çekirdek etrafında çembersel yörüngelerde dolandığını varsayan klasik atom modeli ile başlayalım. Bu modelde,yörüngede dolanan bir elektronun,küçücük bir akım ilmeği oluşturduğu düşünülür ve elektronun manyetik momenti bu yörüngesel hareketiyle ilgilidir.Bu modelin pek çok yetersizlikleri varsa da,kuantum fiziğinin önerdiği doğru teori ile iyi bir uyum içindedir. Atomların Manyetik Momentleri Madde İçinde Manyetizma
74
74 Tüm maddeler elektron içerdiklerine göre, bir kısmının niçin manyetik olduklarını merak edebilirsiniz…. Temel neden, maddelerin çoğunda, atomdaki bir elektronun manyetik momenti tarafından dengelenerek etkisiz hale getirilmesidir. Atomların Manyetik Momentleri Madde İçinde Manyetizma
75
75 Maddelerin çoğu için, elektronların yörüngesel hareketinin oluşturduğu manyetik etki ya sıfır yada oldukça küçüktür. Atomların Manyetik Momentleri Madde İçinde Manyetizma
76
76 Yörüngesel hareketin manyetik momentinden başka,elektronun “spin” denen bir başka özelliği daha vardır;manyetik momentine bu da katkıda bulunur. Bu yönüyle elektrona, çekirdeğin etrafında yörüngesel hareketini yaparken aynı zamanda kendi ekseni etrafında dönen bir küresel yük gözüyle bakılabilir. Atomların Manyetik Momentleri Madde İçinde Manyetizma
77
77 Dönen bir elektronun klasik modeli… Bu model,doğru olmayan bir manyetik moment büyüklüğü, doğru olmayan kuantum sayıları ve çok fazla serbestlik derecesi verir. Atomların Manyetik Momentleri Madde İçinde Manyetizma
78
78 Manyetik özelliklerine bağlı olarak maddeler başlıca üç sınıfa ayrılabilir.Paramanyetik ve Ferromanyetik maddeler, sürekli(daimi) manyetik dipol momente sahip atomlardan oluşur. Diyamanyetik maddeler ise sürekli manyetik momente sahip olmayan atomlardan oluşur. Manyetik Maddelerin Sınıflandırılması Madde İçinde Manyetizma
79
79 Paramanyetik ve diyamanyetik maddelerin mıknatıslanma vektörleri M, manyetik alan şiddeti H ile orantılıdır. Yani bir dış manyetik alan içerisine yerleştirilen bu maddeler için, M= X.H Burada X manyetik duygunluk (süseptibilite) denen boyutsuz (birimsiz) bir çarpandır.Eğer madde paramanyetikse, X pozitif olup bu duruda M,H ile aynı yöndedir. Madde diyamanyetik ise,X negatif olup M,H ters yöndedir. Manyetik Maddelerin Sınıflandırılması Madde İçinde Manyetizma
80
80 Bu lineer bağımlılığın ferromanyetik maddeler için geçerli olmadığına dikkat etmek son derece önemlidir. Bazı maddelerin duygunlukları tabloda verilmiştir… Manyetik Maddelerin Sınıflandırılması Madde İçinde Manyetizma
81
81 MADDE İÇİNDE MANYETİK
82
82 Ferrromanyetik Atomları sürekli manyetik momente sahip olan az sayıda kristal yapılı madde, ferromanyetizma denen kuvvetli manyetik olaylar gösterirler. Ferromanyetik maddelerin bazı örnekleri demir,nikeldir. Bu tür maddeler, zayıf bir dış manyetik alan içinde bile birbirine paralel olarak yönelmeye çalışan atomik manyetik dipol momentler içerirler. MADDE İÇİNDE MANYETİK
83
83 Momentler bir kere paralel hale getirildikden sonra, dış alan ortamdan kaldırılırsa bile madde mıknatıslanmış olarak kalır. Bu sürekli yönelim, komşu olan manyetik momentler arasındaki kuvvetli bir etkileşimden kaynaklanır. Bu etkileşim, ancak kuantum mekaniksel ifadelerle anlaşılabilir. MADDE İÇİNDE MANYETİK Ferrromanyetik
84
84 Tüm ferromanyetik maddeler “domain” denen mikroskobik bölgelerden oluşurlar. Herhangi bir bölgedeki momentlerin hepsi aynı yönde yönelmişlerdir. Farklı yönelimlere sahip olan bölgelerin arasındaki sınırlara “bölge duvarları” denir. MADDE İÇİNDE MANYETİK Ferrromanyetik
85
85 MADDE İÇİNDE MANYETİK Mıknatıslanmamış bir numune de, şekilde gösterildiği gibi bölgeler,net manyetik moment sıfır olacak biçimde rastgele yönelirler. Numune bir dış manyetik alan içine konduğu zaman, bölgeler hafifçe dönerek alan yönünde yönelmeye çalışırlar. Ferrromanyetik
86
86 MADDE İÇİNDE MANYETİK Mıknatıslanmamış bir maddede atomik manyetik dipollerin rastgele yönelişleri. Ferrromanyetik
87
87 Numune bir dış manyetik alan içine konduğu zaman, bölgeler hafifce dönerek alan yönünde yönelmeye çalışırlar. Bu yönelme olayı, şekildeki gibi mıknatıslanmış bir numune ortaya çıkarır. Gözlemler, dış alanı uygulayınca başlangıçta dış alan yönünde yönelmiş durumda olan bölgelerin diğer yönlere yönelmiş olanların aleyhine büyüyeceğini göstermektedir. MADDE İÇİNDE MANYETİK Ferrromanyetik
88
88 Bir B 0 dış alanı uygulandığı zaman atomik manyetik dipollerin alan yönünde yönelmeye çalışırlar ve böylece maddeye net bir M mıknatıslanması kazandırırlar. MADDE İÇİNDE MANYETİK Ferrromanyetik Bu yönelme olayı, şekildeki gibi mıknatıslanmış bir numune ortaya çıkarır.
89
89 Dış alan ortamdan kaldırıldığı zaman, numune kalkan alanın yönünde net bir mıknatıslanmayı koruyabilir. Normal sıcaklıklarda, ısısal uyarımlar manyetik momentlerin bu tercihli yönelimini bozacak kadar etkili değildir. MADDE İÇİNDE MANYETİK Ferrromanyetik
90
90 Ferromanyetik bir maddenin manyetik özelliklerini ölçmek için kullanılan tipik bir deneysel düzenek, şekilde olduğu gibi, N tane sarım teli bulunan toroid-biçimli bir numuneden oluşur. Araştırılacak madde toroidin içine doldurulur ve galvonometrenin bağlı olduğu ikinci devre ile manyetik akı ölçülür. MADDE İÇİNDE MANYETİK Ferrromanyetik
91
91 DENEY MADDE İÇİNDE MANYETİK Ferrromanyetik
92
92 Paramanyetizma Paramanyetik maddeler pozitif fakat küçük bir manyetik duygunluğa sahiptir. Bu duygunluk, sürekli manyetik dipol momenti olan atomların (ya da iyonların) varlığından kaynaklanır. Bu momentler birbirleri ile yalnız çok zayıf etkileşimde bulunurlar ve bir dış manyetik alan içerisinde bulunmadıkları zaman gelişigüzel yönelmişlerdir. MADDE İÇİNDE MANYETİK
93
93 Madde bir dış manyetik alan içerisine konulduğu zaman, atomik momentleri alan yönünden yönelmeye zorlanırlar. Ancak bu yönelim süreci, momentleri rastgele yönlere yöneltmeye çalışan ısısal hareketin etkileri ile yarışmak zorundadır. MADDE İÇİNDE MANYETİK Paramanyetizma
94
94 Pierre Curie ve ondan sonra pekçok araştırmacı deneysel olarak bazı koşullar altında, paramanyetik bir maddenin mıknatıslanmasının manyetik alanla doğru, mutlak sıcaklıkla ters orantılı olduğunu buldular; M=C*B0/T Bağıntı;mıknatıslanmanın artan alanla ve azalan sıcaklıkla arttığını göstermektedir. MADDE İÇİNDE MANYETİK Paramanyetizma
95
95 B0 = 0 olduğunda mıknatıslanma sıfırdır; bu durum dipol momentlerin rastgele yönelmiş olmalarına karşılık gelir. Bağıntı, mıknatıslanmanın artan alanla ve azalan sıcaklıkla arttığını göstermektedir.
96
96 Çok yüksek alanlarda ve çok düşük sıcaklıklarda,mıknatıslanma maksimum veya doyum değerine yaklaşır. Bu durumda, tüm manyetik dipol momentler uygulanan alan yönünde dizilmişler demektir ve eşitlik artık geçerli değildir. MADDE İÇİNDE MANYETİK Paramanyetizma
97
97 Ferromanyetik bir madde,sıcaklığı Curie Sıcaklığı denen bir kritik sıcaklığa ulaştığı ya da geçtiği zaman kalıcı mıknatıslanmasını kaybeder ve paramanyetik duruma geçer. MADDE İÇİNDE MANYETİK Paramanyetizma
98
98 Ferromanyetik bir maddenin mıknatıslanmasının mutlak sıcaklıkla değişimi. Tc ile gösterilen Curie sıcaklığının altında menyetik momentler aynı yönde dizilirler(sıralanırlar). Bu bölgede madde ferromanyetik olur. Buna karşın Tc’nin üstünde ise paramanyetiktir. (sıralanmamış) MADDE İÇİNDE MANYETİK Paramanyetizma
99
99 Bazı Ferromanyetik maddelerin Curie sıcaklıklarının listesi; MaddeTc(K) demir 1043 kobalt1394 nikel 651 MADDE İÇİNDE MANYETİK Paramanyetizma
100
100 Diyamanyetizma Diyamanyetik bir maddeye bir dış manyetik alan uygulandığında, bu alana zıt yönde zayıf bir manyetik moment oluşur. Bu diyamanyetik maddelerin bir mıknatıs tarafından zayıfça itilmesine neden olur. MADDE İÇİNDE MANYETİK
101
101 Her çeşit maddede diyamanyetizma olmakla birlikte etkileri paramanyetizma ya da ferromanyetizmaya göre daha zayıftır ve ancak diğer etkiler olmadığı zaman gözlenebilirler. MADDE İÇİNDE MANYETİK Diyamanyetizma
102
102 Çekirdeğin etrafında zıt yönlerde fakat aynı süratle dolanan iki elektronlu klasik atom modelini düşünerek diamanyetizmayı bir ölçüde anlayabiliriz. Elektronlar, pozitif yüklü çekirdeğin oluşturduğu çekici elekrostatik kuvvet nedeniyle çembersel yörüngelerde dolanırlar. MADDE İÇİNDE MANYETİK Diyamanyetizma
103
103 İki elektronun manyetik momentlerinin büyüklükleri eşit fakat yönleri zıt olduğundan birbirini yok ederler ve atomun manyetik momenti sıfır olur. Sonuçta,elektronların manyetik momentleri birbirini yok edemezler ve madde uygulanan manyetik alana zıt yönde net bir manyetik moment edinir. MADDE İÇİNDE MANYETİK Diyamanyetizma
104
104 Yerin Manyetik Alanı Damla CEYLAN
105
105 Yerin Manyetik Alanı Yerin manyetik alanı dev bir mıknatıs sayesinde oluşur. Bu yüzden pusula kuzey yönünü gösterir. Yerin içindeki dev mıknatıs Coğrafi kuzey- güney doğrultusuyla yaklaşık derecelik bir açı yapacak şekilde konumlanmıştır. Bu yüzden pusulanın gösterdiği yön tam olarak coğrafi kuzey yönü değildir. Pusula derece arasında sapma yapar.
106
106 Yerin Manyetik Alanı Bir mıknatısın kuzey kutbu, Dünya’nın kuzey coğrafik kutbuna doğru çekildiğinden, Dünya’nın Kuzey manyetik kutbunun Güney manyetik kutbunun yakınına ve güney manyetik kutbunun ise kuzey coğrafik kutbunun yakınına yerleşmiş olduğu sonucuna varılır.
107
107 Yerin Manyetik Alanı (devamı) Gerçekte şekilde resimlendirildiği gibi yerin manyetik alanının şekillenimi,birçok büyük çubuk mıknatısı Yerin iç bölgesinde derine gömerek elde edilebilecek sonuca oldukça benzemektedir. ! Yerin manyetik alan çizgileri. Dünyanın güney manyetik kutbunun kuzey manyetik kutbuna; kuzey manyetik kutbunun ise güney manyetik kutbuna yakın olduğuna Dikkat !
108
108 Yerin Manyetik Alanı (devamı) Bir pusula iğnesi yatay düzlemde olduğu kadar düşey düzlemde de dönebilecek biçimde asılırsa iğne yalnız ekvatora yakın yerlerde yer yüzeyine paraleldir.kuzeye doğru götürüldükçe,iğne gittikçe Dünya yüzeyini gösterecek biçimde döner.
109
109 Bu yüzden bir pusula iğnesinin kuzeyi gösterdiğini söylemek ancak yaklaşık olarak doğrudur. Coğrafi kuzey kutup olarak tanımlanan gerçek kuzey ile bir pusulanın gösterdiği kuzey arasındaki fark, Dünya üzerindeki noktadan noktaya değişir. Bu farka manyetik sapma denir. Ör:Florida’dan büyük göllere uzanan hat boyunca bir pusula gerçek kuzeyi gösterir, buna karşın Washington’da gerçek kuzeyin 25 0 doğusuna doğru yönelir. Yerin Manyetik Alanı (devamı)
110
110 Dünya’nın yüzeyini altındaki derin tabakalarda büyük miktarda demir filizi vardır, fakat Dünya’nın çekirdeğindeki yüksek sıcaklık bu demirin sürekli mıknatıslanmaya sebep olmasını engeller. Bilim adamları Dünya’nın manyetik alanının gerçek kaynağının, merkezindeki yük taşıyan konveksiyon akımları olduğu sanmaktadır. Yerin Manyetik Alanı (devamı)
111
111 Dünyanın manyetik alanı ile ilgili ilginç bir rastlantı da, son bir milyon yıl içerisinde manyetik alanın bir çok kere yön değiştirdiğinin tespitidir. Bunun için gerekli kanıtı bazalt vermektedir. Bazalt okyanus tabanındaki volkanik fışkırtmalarla ortaya çıkar. Lavlar soğurken o katılaşır ve Dünya’nın manyetik alan yönünün bir resmini muhafaza eder. Taşların başka yöntemlerle yaşları belirlenerek manyetik alanın bu periyodik olarak yön değiştirmesini ortaya koyan zamansal süreç elde edilmiş olur. Yerin Manyetik Alanı (devamı)
112
112 Kaynakça: Fen ve Mühendislik İçin Fizik 2 (Servay Beichner)