Manyetik alan

Mıknatıssal veya manyetik alan, bir mıknatısın mıknatıssal özelliklerini gösterebildiği alandır. Mıknatısın çevresinde oluşan çizgilere de, mıknatısın o bölgede oluşturduğu manyetik alan çizgileri denir. Manyetik alan çizgilerinin yönü kuzeyden (N) güneye (S) doğrudur. Manyetik alan hareket eden elektrik yükleri tarafından, zamanla değişen elektrik alanlardan veya temel parçacıklar tarafından içsel olarak üretilir. Manyetik alan vektörel bir büyüklüktür. Yani herhangi bir noktada yönü ve şiddeti ile tanımlanır. Manyetik alan B harfiyle temsil edilir. SI birimi Sırp bilim insanı Nikola Tesla'nın soyadı Tesladır. Manyetik alan Lorentz kuvveti kullanılarak ölçüldüğü için birimi coulumb-metre/saniye başına Newtondur. Saniye başına coulomba bir amper dendiği için 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 alan en genel şekilde hareket eden elektrik yüküne etki eden Lorentz kuvveti ile tanımlanır. Manyetik alan, elektrik alanı, akım ve onları yaratan yükler arasındaki bağlantı Maxwell denklemleri ile açıklanır. 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 vardır. Dünya kendi manyetik alanını üretir ve bu manyetik alan pusulanın temel çalışma prensibini oluşturur. Dönen manyetik alan elektrik motorlarında ve jeneratörlerde kullanılır. Manyetik kuvvetler bir malzeme içerisindeki yük taşıyıcılarının sayısı hakkında bilgi verir.

Manyetik maddelerin sınıflandırılması

Michael Faraday, araştırmaları neticesinde maddelerin, manyetik alana tepki verdiğini ve bu tepki sonucunda etkileşimin olduğunu ortaya koydu. Verdikleri tepkiye göre maddeleri üç grupta toplanabildiğini gösterdi:

Diyamanyetik maddeler: Zayıf bir şekilde etkilenenler. Bağıl manyetik geçirgenlikleri µ_r < 1 olan bu tür maddeler, güçlü bir manyetik alana dik şekilde kendilerini yönlendirirler. Diyamanyetizma, tek sayıda elektronlara sahip ve tamamlanmamış içi kabuğu olmayan maddelerde görünür. Radyum, potasyum, magnezyum, hidrojen, bakır, gümüş, altın ve su diyamanyetik gruba girerler.
Paramanyetik maddeler : Bağıl manyetik geçirgenlikleri µ_r > 1 olan bu tür maddeler, güçlü bir manyetik alana paralel şekilde kendilerini yönlendirirler. Paramanyetizma çift sayıda elektronlara sahip maddelerde görülür. Hava, alüminyum ve silisyum paramanyetik gruba girer.
Ferromanyetik maddeler: Kuvvetli bir şekilde mıknatıslardan etkilenen maddelerdir. Demir, nikel, kobalt ve alaşımlarını içeren maddeler bu gruba girer.

Tarihi

MÖ 13. asırda Çin'de pusula kullanılmaktaydı. Yunanların MÖ 800 yıllarında manyetizma hakkında bilgileri vardı. Manyetit taşının (Fe₃O₄) demir parçalarını çektiğini keşfettiler. Efsaneye göre Manyetit adı, sürüsünü otlatırken ayakkabısının çivileri ve sopasının ucu büyük manyetit parçalarına yapışıp kalan Magnes adlı çobandan gelmektedir.

1269'da Pierre de Maricourt, doğal küresel bir mıknatıs yüzeyinin çeşitli noktalarına bir iğne yerleştirerek iğnenin aldığı yönlerin haritasını elde etti. Yönlerin, kürenin çap boyunca karşılıklı iki noktasından geçen ve küreyi kuşatan çizgiler oluşturduklarını gördü. Bu noktalara mıknatısın kutupları adını verdi. Daha sonraki deneyler, şekli ne olursa olsun her mıknatısın kuzey ve güney kutup denen iki kutbu olduğunu gösterdi. Bu kutuplar, elektrik yükleri gibi birbirleri üzerine kuvvet etki ettirirler.

Elektrik ve manyetizma arasındaki ilişki, 1819'da Danimarkalı bilim insanı Hans Christian Oersted'in bir gösteri deneyi sırasında akım taşıyan telin yakınında duran pusulayı saptırdığını bulmasıyla keşfedildi. Bundan kısa bir süre sonra Andre Ampere akım taşıyan iletkenin diğerine uyguladığı manyetik kuvveti hesaplamak için gerekli nicel yasaları elde etti. 1820'lerde Michael Faraday ve ondan bağımsız olarak Joseph Henry elektrik akımı ile manyetizma arasındaki başka ilişkileri de gösterdiler. En sonunda Maxwell tüm bu çalışmaları ve elektrik ile manyetizmayı birleştiren Maxwell denklemlerini yayınladı.

Manyetik akı yoğunluğu

Birim yüzeydeki manyetik alan miktarıdır. Buna göre, manyetik alan birimi Tesla olduğu için manyetik alan yoğunluğunun birimi de Tesla/m² dir.

Alternatif tanım

Kimi mühendislik kitaplarında manyetik alan için farklı bir tanım vardır. H simgesiyle gösterilen bu tanımın birimi de amper/metredir. Boşlukta B ve H birbirleriyle orantılıdır.

\mathbf {H} \ \equiv \ {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}.

Ancak manyetik maddelerin içinde bu ilişki farklıdır:

\mathbf {H} \ \equiv \ {\frac {\mathbf {B} }{\mu _{0}}}-\mathbf {M} .

Burada M manyetikleşme alanıdır.

Manyetik kutuplar

Bir mıknatısı kütle merkezinden astığımızda bir ucunun kuzeyi diğer ucunun güneyi gösterdiğini gözleriz. 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 serbestçe dönebilmesiyle oluşur. Bir mıknatıs pusulaya yaklaştırıldığında pusula iğnesi sapma yapar. Bir mıknatısta,

Aynı işaretli kutuplar birbirini iterlerken, zıt işaretli kutuplar birbirini çekerler.
İtme ya da 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 mıkantısın ikiye bölünmesi sonucu bölünen her bir parçanın N, S biçiminde yeniden kutuplaştığı görülür. Buradan çıkaracağımız sonuç, atomik boyutlara inildiğinde dahi tek kutuplu mıknatıs elde edilemeyeceğidir.

Manyetik alan çizgileri

Manyetik alan çizgilerinin N kutbundan S kutbuna doğru olduğu kabul edilir. Bir pusulayı manyetik alanın içine koyarsak pusula manyetik alan yönünde uzanır. (N'den S'ye) Manyetik alan vektörü, bu çizgilere teğet durumdadır. Çizgilerin sık geçtiği yerlerde manyetik alanın şiddeti fazladır.

Manyetik alan çizgilerinin demir tozuyla belirlenmesi

Pusulalar manyetik alan çizgileri boyunca yönelirler.

Elektrik akımı ve manyetik alan

Hareket eden elektrik yükleri (akım), manyetik alan oluşturur ve etraftaki manyetik alanlardan etkilenir.

Hareketli yükler tarafından oluşturulan manyetik alan

Akım taşıyan telin oluşturduğu manyetik alanın sağ el kuralıyla bulunması

Hareket eden yüklü parçacıklar (örn. elektron) bir manyetik alan oluşturur. Oluşan bu manyetik alan yükün etrafını dairesel olarak sarar, bunu matematiksel olarak açıklayan kişilerJean-Baptiste Biot ve Félix Savart'ın onuruna Biot-Savart yasası olarak adlandırılan yasa, manyetik alanın şiddetinin yükten uzaklaştıkça azaldığını gösterir ve sağ el kuralıyla manyetik alanın yönünü kolayca bulmamızı sağlar.

Akım taşıyan tel kıvrılırsa, oluşturduğu manyetik alan yoğunlaşmaya başlar. Kıvrımların sayısı arttırılarak manyetik alanın yoğunluğu arttırılabilir ve doğal bir mıknatıstan çok daha güçlü çekim kuvvetleri oluşturulabilir. Bu amaçla solenoitlerin içine demir çekirdek yerleştirilerek elektromıknatıs elde edilir. Akımı arttırıp azaltarak çekim kuvvetinin ayarlanabilmesi sebebiyle elektromıknatıslar günümüzde hayatımızın her alanında kullanılmaktadır.

Solenoit

Elektrik akımına ve hareketli yüklere etkiyen manyetik kuvvet

Yüklü parçacığa etkiyen kuvvet

(A)Sadece manyetik alanda yüklü parçacıkların hareketi (B)Manyetik alana ek olarak E elektrik alanı var (C)Elektromanyetizmadan bağımsız bir F kuvveti var (örn. yerçekimi)

B manyetik alanında, v hızıyla hareket eden q yüklü parçacığa etki eden manyetik kuvvet Lorentz kuvveti olarak bilinir:

\mathbf {F} =q\mathbf {v} \times \mathbf {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 olduğunda Lorentz kuvveti en büyük değerini alır.

Manyetik kuvvet, parçacığın hızına daima dik olduğu için hızı büyüklüğünü değiştiremez yalnızca yönünü değiştirebilir. Bu yüzden hızı ve yükü olan bir parçacık manyetik alanda dairesel hareketler yapmaya başlar ve manyetik kuvvet bu dairesel harekette merkezcil kuvvet görevi görür.

Akım taşıyan tele etkiyen manyetik kuvvet

Akım taşıyan teldeki her bir elektrik yüküne qv x B kuvveti etki eder, parçacık sayısıyla kuvvet çarpılarak toplam kuvvet bulunur. Kesit alanı A, uzunluğu L olan bir tel parçasındaki parçacıkların sayısı nAL dir. (n burada birim hacimdeki yük sayısı). Dolayısıyla kuvvetin büyüklüğü F=qvBnAL olur. Akımın I=nqvA tanımı kullanılılrsa

F=I\mathbf {L} \times \mathbf {B}

bulunur.

Burada L akım yönünde, büyüklüğü telin boyuna eşit vektördür.

Sağ el kuralı

Manyetik kuvvetin yönü sağ el kuralıyla bulunur.

Manyetik alan örnekleri ve bazı önemli uygulamaları

Yerin manyetik alanı

Yerin manyetik alanı yaklaşık bir çift kutuptur. Coğrafi olarak da kuzey ve güney kutuplar olarak adlandırılırlar.

Yerin manyetik alanı, dünyanın sıvı dış çekirdeğindeki konveksiyon akımları ile oluşur. Dış çekirdekteki konveksiyon hareketleri, zaman içinde manyetik alanı oluşturur. Bu konveksiyon hareketlerinin dünyanın oluşumundan beri meydana geldiği düşünülmektedir. Yeryüzü çekirdeğinin içi katı, dışı sıvı demir termal hareketlerle kendi manyetik alanlarını oluşturur. Atomların yeterli bir güçle ve düzenli bir şekilde yer değiştirmesi ve yönlendirmesi kalıcı mıknatıslanmaya neden olduğundan dünyanın kabuğunda kalıcı mıknatıslanma yaratır. Dünyayı, etrafı manyetik alanla çevrelenmiş büyük küresel bir mıknatıs gibi düşünebiliriz.

Dünya manyetik alanı, kuzey ve güney kutupları olan, merkezde yerleşmiş bir dipol mıknatıs çubuk olarak da tanımlanır. Dünyanın dönüş ekseni ile dipolün ekseni arasında yaklaşık olarak 11 derece fark vardır. Bu kuzey ve güney coğrafi kutuplarla, manyetik kutupların üst üste gelmediğini gösterir. Herhangi bir noktadaki yer mıknatıssal alanı, ölçülen bileşen ve yön ile belirtilir. Yerin içindeki dev mıknatıs Coğrafi kuzey-güney doğrultusuyla yaklaşık 11-15 derece lik bir açı yapacak şekilde konumlandığından pusulanın gösterdiği yön tam olarak coğrafi kuzey yönü olmayıp 11-15 derece arasında sapma yapar.

Dönen manyetik alan

Dönen manyetik alan, manyetik alanın yönünün, belirli bir açısal hıza sürekli değiştiği durumdur. Bu durum, Alternatif akım motorunun temel çalışma prensibidir.

Hall etkisi

Akım taşıyan bir iletken, bir manyetik alan içine yerleştirildiğinde, hem akıma hem de manyetik alana dik yönde bir potansiyel farkı üretilir. Bu olay ilk kez 1879'da Edwin Hall tarafından gözlendi. Olay, yük taşıyıcılarının manyetik alandan ötürü gördükleri manyetik kuvvet nedeniyle, iletkenin bir tarafına doğru sapmalarından kaynaklarnır. Hall etkisi, yük taşıyıcıların işareti ve yoğunluğu hakkında bilgi verir ve manyetik alanların büyüklüklerini ölçmek için de kullanılabilir.

Manyetik alanın ortamdan geçişi

Yumuşak demir gibi maddeler ferromanyetiktirler; mıknatısın kutupları arasına yerleştirildiklerinde manyetik alan çizgilerini sıklaştırırlar.
Manyetik alan çizgilerini zayıflatan maddeler manyetik 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 oluşmaktadır.

Manyetik alan büyüklüklerine örnekler

Bazı yaklaşık manyetik alan büyüklükleri
Alan kaynağı	Alan büyüklüğü (T)^[1]
Kuvvetli süperiletken laboratuvar mıknatısı	30
Kuvvetli sıradan laboratuvar mıknatısı	0.1
Tıpta kullanılan MRI birimi	2
Güneşin yüzeyi	10⁻²
Dünyanın yüzeyi	0,5 x 10⁻⁴
İnsan beyninin içi (sinir atımlarından kaynaklanan)	10⁻¹³

Kaynakça

^ Hacıfazlıoğlu, Hasan (2013). "Manyetik Ayırma ile Zenginleştirme". İstanbul: İstanbul Üniversitesi. 22 Nisan 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 24 Temmuz 2015.

[1] Hacıfazlıoğlu, Hasan (2013). "Manyetik Ayırma ile Zenginleştirme". İstanbul: İstanbul Üniversitesi. 22 Nisan 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 24 Temmuz 2015.

[1]