Elektrik ve Manyetizma-4: Manyetizma
Mıknatıs
Demir, nikel, kobalt ve bunları içeren alaşımları çeken cisimlere mıknatıs denir. Manyetit adı verilen \(Fe_3O_4\) bileşiği tabiatta bulunabilen doğal bir mıknatıstır.
Maddenin manyetik özelliği maddenin yapısından kaynaklanır. Mıknatıs özelliği gösteren ya da mıknatıslar ile etkileşime geçebilen maddelere manyetik madde denir.
- Mıknatısın çekme özelliğinin en şiddetli olduğu uç bölgelere mıknatısın kutupları adı verilir.
- Mıknatısların kuzey ve güney olarak iki kutbu vardır. Kuzey kutbu N ile güney kutbu S ile gösterilir.
Mıknatıslar parçalanarak küçük parçalara ayrılsa da ger bir parça yine iki kutuplu bir mıknatıs olur, mıknatısın bölünmeden önceki kutuplarının yeri aynı kalır. Tek kutuplu bir mıknatıs yoktur.
Manyetik Alan ve Alan Çizgileri
Mıknatısın etki alanına manyetik alan denir. Bu alandaki manyetik cisimlere manyetik kuvvet etki eder. Birim kutup başına düşen kuvvetin büyüklüğüne de manyetik aşan şiddeti denir.
- Manyetik alan vektörel bir büyüklüktür ve \(\vec{B}\) ile gösterilir.
- Manyetik alan, manyetik çizgileri ile modellenir. Manyetik alan çizgileri N kutbundan S kutbuna doğrudur.
- Manyetik alan çizgileri birbirini kesmez. Manyetik alan çizgileri kapalı eğriler şeklindedir. Mıknatısın içinde de devam ederler.
- Bir noktadaki manyetik alan vektörü, o noktadan geçen manyetik alan çizgisine teğettir.
Manyetik Kuvvet
Mıknatısların birbirlerine ya da manyetik maddelere uyguladıkları kuvvete manyetik kuvvet denir.
- Aynı cins kutuplar birbirini iter, farklı cins kutuplar birbirini çeker.
- Mıknatısların birbirine uyguladığı kuvvetlerin büyüklüğü, mıknatısın kutuplarının şiddetiyle doğru, aralarındaki uzaklığın karesiyle ters orantılıdır. Bir kuvvetin büyüklüğü ayrıca kutuplar arasındaki ortamın cinsine de bağlıdır.
- Mıknatısların kutup şiddetleri birbirinden farklı olsa bile birbirine uyguladıkları kuvvetler daima eşit büyüklükte ve zıt yönlüdür.
Manyetik alanda serbestçe hareket edebilen bir mıknatıs, manyetik alana bırakıldığında kuzey kutbu manyetik alan yönünde olacak biçimde dengelenir. Bir mıknatıs olan pusula ibresi de bu prensibe göre hareket eder. Dünya'nın manyetik alanının etkisinde, kuzey-güney doğrultusunda dengeye gelir.
Mıknatısın etkisi ile çivilerin her biri kutupları şekildeki gibi olan mıknatıs özelliği kazanır. Buna dokunma ile mıknatıslanma denir.
Akım Geçen Doğrusal Telin Manyetik Alanı
Akım geçen bir tele pusula yaklaştırıldığında pusula iğnesinin saptığı görülür. Bu durum, elektrik akımının, tel çevresinde bir manyetik alan oluşturduğunu gösterir. Buna akımın manyetik etkisi denir.
- Akım taşıyan doğrusal bir tel çevresinde oluşan manyetik alan, teli merkez kabul eden iç içe halkalar şeklinde tel boyuncadır.
Manyetik alanın yönü sağ el kuralı ile bulunur. Başparmak telden geçen akımın yönünü gösterecek biçimde tel, sağ elin avuç içine alındığında tel etrafında kıvrılan dört parmak manyetik alanın yönünü gösterir.
- Akım geçen telin oluşturduğu manyetik alan, halkalar şeklindedir.
- Herhangi bir noktadaki manyetik alan o noktada halkaya teğettir.
- K noktasındaki manyetik alan halkaya teğet ve bize doğru, L noktasındaki manyetik alan ise yine halkaya teğet ve sayfadan içe doğrudur.
Sayfadan bize doğru olan yön; nokta sembolü ile, sayfadan içe doğru olan yön ise çarpı sembolü ile gösterilir.
Elektromıknatıslar
Yalıtımlı iletken telin, şekildeki gibi halkalar biçiminde sarılması ile elde edilen cisme bobin denir.
- Bobinden akım geçtiğinde akımın oluşturduğu manyetik alan, bobinin bir mıknatıs gibi davranmasına neden olur. Daha güçlü bir etki için bobinler demir çubuk etrafına sarılır.
Akımın manyetik etkisi ile elde edilen bu tür mıknatıslara elektromıknatıs denir.
- Elektromıknatısın yakınına yerleştirilen pusula iğneleri şekildeki gibi manyetik alan çizgilerine teğet hale gelir.
Elektromıknatısın kutup işareti, sağ el kuralı ile bulunabileceği gibi kutuplarına yaklaştırılan çubuk mıknatısı çekmesi ya da itmesiyle de bulunabilir. Sağ elin dört parmağını akım yönünü gösterecek şekilde tutulduğunda baş parmak N kutbunu gösterir. Diğer uç da S kutbudur.
Elektromıknatısın çekim gücü;
- Birim uzunluktaki sarım sayısı ve
- Geçen akım şiddeti ile doğru orantılıdır.
Elektromıknatısların Bazı Kullanım Alanları
Elektromıknatısların en büyük avantaju isteğe bağlı olarak mıknatıslanmasıdır. Elektrik verildiğinde mıknatıs özelliği kazanır, kesildiğinde bu özellik ortadan kalkar.
- Kapı zillerinde, kapı otomatiklerinde, hoperlörlerde ve arabaların sinyal sistemlerinde elektromıknatıslar kullanılır.
- Akvaryum pompalarında, hızlı trenlerde, bilgisayar sabit disklerinde, ampermetre ve voltmetrede ve elektrik motorlarında kullanılır.
Yüksek Gerilim Hatlarının Canlılar Üzerindeki Etkileri
Elektrik enerjisini üretildikleri santrallerden uzak mesafelere taşımak için kullanılan hatlara yüksek gerilim hattı denir. Bazı hatlardaki gerilim 400 bin voltu bulabilir. Bu hatlardan geçen akım çevresinde manyetik alan oluşturur.
- Bu hatların, değişik ülkelerde yapılan araştırmalarla insan sağlığını olumsuz yönde etkilediği ortaya konulmuştur.
- Yüksek gerilim hatlarının yakınında yaşayan insanlar için kanser riskinin, çocuklarda lösemi riskini arttırdığı, yüksek gerilim hatlarının beyin tümörü oluşturduğu birçok araştırmacı tarafından iddia edilmektedir.
- Yüksek gerilim hatlarının bu olumsuz etkileri nedeni ile yerleşim yerlerinden geçirilmemeleri gerekmektedir.
Dünyanın Manyetik Alanı
Dünya çekirdeğinde erimiş halde bulunan ağır metallerin hareketleri sebebiyle dünya dev bir mıknatıs gibidir.
- Manyetik kuzey ve güney kutup ile coğrafi kuzey ve güney kutup noktaları tam çakışık değildir. Yerin manyetik alanının kuzey-güney doğrultusu, coğrafi kuzey-güney doğrultusundan bir miktar sapma gösterir. Bu açıya sapma açısı denir.
- Bir pusula, manyetik kuzey-güney doğrultusunda yönelir. Dolayısıyla ortasından bir iple asılan mıknatısların N kutbu da manyetik güneye yönelecek biçimde dengelenir.
- Kuzey yarım kürede, ortasından asılan bir pusula iğnesinin kutbu aşağı eğilirken, güney yarım kürede S kutbu aşağı eğilir. Mıknatıs doğrultusunun yatayla yaptığı açıya eğilme açısı denir.
- Tam ekvator üzerinde asılan mıknatıs yatay olarak dengede kalır. Eğilme açısı sıfırdır.
- Dünyamızı bir kalkan gibi çepeçevre saran manyetik alan, uzaydan ve güneşten gelen elektrik yüklü ve zararlı parçacıkların geçişini engeller.
- Kutuplarda gözlenen kutup ışıklarının nedeni de dünyanın manyetik alanıdır.
- Bazı kuşlar ve balinalar gibi birçok canlı, yerin manyetik alanından yararlanarak hareket yönlerini belirler.
Mıknatısların ve Manyetik Alanın Günlük Hayattaki ve Teknolojideki Yeri
- Tıp alanında MR cihazları hastaların vücutlarından ayrıntılı görüntüler almak için güçlü manyetik alanları kullanır.
- Bazı modern aydınlatma sistemleri, ışık kaynaklarını yerinde tutmak için manyetik alanları kullanırlar.
- Ev aletlerinin kapıları, genellikle küçük mıknatıslar kullanılarak kapatılır ve açılır.
- Barkod okuyucular, bir ürünün barkodunu okumak için manyetik alanları kullanır.
- Manyetik alanlar, manyetik levitasyon trenlerinde veya maglev trenlerinde kullanılır. Bu trenler, mıknatısların itme ve çekme kuvvetlerini kullanarak raylardan "havada" seyehat ederler.
- Manyetik vinçler, metalleri taşımak ve kaldırmak için güçlü elektromıknatıslar kullanırlar.
- Güvenlik sektöründe, manyetik kilitler genellikle kapıları güvende tutmak için kullanılır.
- Kredi kartları ve banka kartları, bir manyetik şerit aracılığıyla bilgi depolar. Bu manyetik şerit, alışverişlerde ve ATM lerde okunabilir.
- Cerrahlar bazen küçük metal nesneleri vücuttan çıkarmak için mıknatıslı araçlar kullanır.
- Jeofizikçiler ve mühendisler, yer altındaki metalleri ve mineral yataklarını tespit etmek için manyetik alanları kullanır.
- Elektrik motorları, bakır tellerle oluşturulan manyetik alanları kullanarak içindeki mıknatısları hareket ettirir ve böylelikle hareket enerjisi üretir.