Akımlar ve Manyetik Alanlar
advertisement
1 Manyetiklik Mıknatıs taşı (Latince magnes) denizcilerin yeni dünyalar keşfetmesine yardımcı oldu; ama denizciler şaşırtıcı sırlarını uzun yıllar bilim adamlarından sakladılar. Bir mıknatısın daha küçük mıknatıslardan oluştuğunu gösteren kırık mıknatıs adı verilen deney 1269 yılında yapılmışsa da manyetikliğin yapısı konusunda ilk belirtiler , 1820 yılında Oersted’ın elektrik akımının mıknatıslı bir iğneyi saptırma özelliğini gözlemesiyle ortaya çıktı. Bu saptamadan sonra manyetikliğin akımlarla ilişkisi olduğu, Dünya, Güneş ve Gökadamız ölçeğinde manyetik alanların akımlardan kaynaklandığı anlaşıldı. Ne var ki, bir mıknatısta bu akımları gözlemlemek mümkün değildir; şu halde mikroskopik bir yapıları olması gerekir. Önce bu akımlar elektronların çekirdek çevresinde, sonra kendi çevrelerinde dönmesine (‘spin’) bağlandı; ancak atomun bu gezegen biçimindeki görünümü daha sonra düzeltildi. Parçacıklar da minik mıknatıslar gibi davranıyordu. İşte bunların manyetik özelliklerinden dolayıdır ki, NMR (nükleer manyetik rezonans ) ile görüntüleme tekniğinde yararlanılan protonlar dokularımızın sağlığı hakkında bize bilgi verir ve elektronlar Güneş’in veya çok uzaklardaki pulsarların manyetik alanlarını ölçmemizi sağlar. Bizim ölçeğimizde bir malzemenin mıknatıslanması, parçacık düzeyindeki bu küçük mıknatısların bir dış manyetik alanın etkisi altında (kısmen) doğrusal dizilimiyle açıklanır. Ama ana bileşeni demir, nikel veya kobalt olan bazı alaşımlar en azından sıcaklık belirli bir kritik değeri aşmadıkça kendiliğinden mıknatıslanma özelliği gösterir. Olayın kesin açıklaması kuvantum fiziğine ve faz geçişleri kuramına (hal değişimleri) dayanır. Kritik sıcaklık dolayında mıknatıslanmadaki önemli dalgalanmalar gibi olaylar, tam olarak ancak 20 yıl kadar önce, yani yapılan ilk deneylerden 700 yıl sonra anlaşıldı. Manyetik şeritlerden bilgisayar belleklerine ve iletişim sistemleri bileşenlerinden soğutma tekniklerine kadar pratik uygulamalarsa bu kadar uzun zaman beklemedi. Akımlar ve Manyetik Alanlar ‘’ ELEKTRİK AKIMI MANYETİK ALAN DOĞURUR : BİR MIKNATISIN KUTUPLARI ARASINA YERLEŞTİRİLMİŞ BİR TEL HALKADAN AKIM GEÇERSE, HALKA PUSULA GİBİ YÖNLENİR ‘’ Elektrik akımının yarattığı manyetik alan demir tozuyla ortaya çıkarılabilir; demir tozu mıknatıslanır ve alana doğru yönlenir. Benzer şekilde, pusulanın iğnesi Dünya’nın çekirdeğinin sıvı kısmında dolaşan akımların doğurduğu Dünya alanı içinde yönlenir. Hall sondası veya SQUID’ler gibi daha modern algılayıcılar çok küçük alanları büyük bir duyarlılıkla ölçer. Nitekim ‘manyetokardiyografi ’ tekniği ile ölçülen insan kalbinin manyetik alanı 10-10 tesladır, yani Dünya manyetik alanının (10-4 tesla ), milyonda biridir. 2 B manyetik alanı, içinden i akımı geçen l uzunluğunda geçen bir iletken telin uyguladığı kuvvet ( i/B ), veya S yüzeyindeki bir sarımın kuvvet çifti ISB veya M manyetik moment olduğuna göre, MB şeklinde ortaya çıkar. İlk kuvvet karşılıklı paralel iki akımın çekimini açıklar; bu olay elektrik akımının şiddet birimi olan amperin tanımlanmasında kullanılır. İkinci kuvvet çifti manyetik alan içine yerleştirilen bir sarımın dönmesiyle açıklanır; bu olay ölçüm araçlarında (ampermetre, voltmetre ve elektrik motorlarında) kullanılır. Manyetik Alan ‘’OLAĞAN BİR MADDE İÇİNDE MANYETİK ALAN ‘ DİYAMANYETİK ‘ VEYA ‘ PARAMANYETİK ‘ BİR ALAN İNDÜKLER. BİR MIKNATIS İÇİNDEYSE ‘ FERROMANYETİK ‘ ALAN KENDİLİĞİNDEN DÜZENLENİR.’’ Bir cismin mıknatıslanmasına birçok mekanizma katkıda bulunur. Bir atoma manyetik bir alan uygulandığında indüklenen elektrik akımı elektronların yörünge hareketlerini değiştirir. Bu olay alana ters bir mıknatıslanma ile ortaya çıkar: buna diyamanyetiklik denir. Paramanyetiklik atomları önceden bir manyetik momente sahip olan cisimlerde bulunur, bu cisimlerde manyetik momentin varlığı, çiftleşmemiş elektronların varlığıyla açıklanır. Alan bu momentleri kendi doğrultusuna sokmaya çalışır, ama indüklenmiş alan termik (ısıl ) çalkalanma etkileri nedeniyle engellenir ve bu engellenme sıcaklık yükseldikçe güçlenir. Sıcaklığın bu etkisinden yararlanılmaktadır: daha önce iyi ‘sıralanmış’ bir malzeme üzerindeki alan kaldırılırsa, manyetik enerji azalmasına sıcaklığın düşmesi eşlik eder. Bu ‘çekirdek mıknatıslığını giderme olayı’ mutlak sıfıra yaklaşma imkanı verir. Tamamen kuvantum kaynaklı üçüncü bir etki, bir dış alan olmasa bile bir manyetik alanın oluşturulabileceğini ortaya çıkardı. İyonlarla (manyetik) serbest elektronlar bir arada bulunursa, bu ortamda elektronlar komşu iyonlar arasında önemli bir eşleme oluşturur; bu eşlemenin enerjisi momentlerin nispi yönelimine bağlıdır. Eşlemenin işaretine göre, tam bir sıralanma için (ferromanyetiklik) veya almaşık bir sıralanma için (antiferromanyetiklik) en düşük enerji elde edilir. İki tür iyonun varlığından kaynaklanan bir ara durum ferritlerde görülür. Sıcaklık arttığında ferromanyetik bir cisimde mıknatıslanma azalır, hatta kritik bir sıcaklıkta sıfırlanır. Bu durumda düzenli bir fazın düzensiz bir faza kesiksiz geçişi söz konusudur. İşte bu yüzden kızıl dereceye kadar ısıtılan bir mıknatıs, çekim özelliklerini kaybeder; tam tersine okyanus diplerinden çıkan lavlar soğuduğu sırada geçmişin manyetik alanlarını belleğinde saklayarak mıknatıslanır. En eski izler 200 milyon yıl öncesine iner. Niçin her tür alandan yalıtılan bir demir parçası az mıknatıslanır? X ışınlarıyla yapılan bir inceleme, kendiliğinden mıknatıslanmanın çok küçük alanlarda, ama farklı yönelimler içinde oluştuğunu gösterir; söz konusu alanların ortalaması sıfır değerini verir. Alanların yakınında momentlerin sıralanmamasından kaynaklanan enerji fazlalığı mıknatıs içinde alan çizgilerinin hapsolması sonucunda dengelenir. Bir demir parçasına alan uygulandığında, alana paralel mıknatıslanma önce tersinir, sonra tersinmez biçimde büyür; bu olay çeperlerin kristal kusurlarını aşmasından veya başka alanların yönelim dengesini bozmasından ileri gelir. Kuvvetli bir alanda hemen hemen 3 genelleşen sıralanma, mıknatıslanmanın doygunluğa girmesine yol açar. B alanı değiştirildiğinde M mıknatıslanması bunu ancak belirli bir gecikmeyle izler ve bu bakımdan B’nin belirli bir değeri için M aynı değerleri almaz. Mıknatıslanmanın alana göre değişimini inceleyen bir diyagramda mıknatıslanma histerezis çevrimini oluşturur; bu eğrinin alanının ölçümü ısıl kayıpların değerini verir. Mıknatıslar ve Elektromıknatıslar ‘‘SERT’ MALZEMELER, MIKNATISLARDA VE BİLGİSAYAR BELLEKLERİNDE KULLANILIR; ‘YUMUŞAK’ MALZEMELERDENSE MANYETİK EKRANLARDA, TRANSFORMATÖRLERDE VEYA ELEKTROMIKNATISLARDA YARARLANILIR’ İyi bir mıknatıs yapmak için, manyetikleştirici alan çekildiğinde mıknatıslanmayı koruyan ve dış alanlara az duyarlılık gösteren ‘sert’ bir malzeme kullanılır. Bilgisayar belleği için sert malzemenin histeresiz çevriminin kare olması zorunludur; böylece mıknatıslanma 0 ve 1 rakamlarını simgeleyen iki değerden başkasını almaz. Tersine zayıf alanda kolaylıkla mıknatıslanabilen ve yüksek frekanslarda alanı iyi izleyen bir malzeme isteniyorsa, histeresiz çevriminin dar ve büyük eğimli olması gerekir. Böyle bir malzeme içinde akımlarla alan arasındaki orantı, geçirgenlik adını alır ve 104 veya 105 kere artar. Bir dış alan içine yerleştirilen yumuşak malzeme güçlü bir mıknatıslanma kazanır ve alan çizgilerini kendinden geçmeye zorlayarak hapseder. Bu malzeme bir kap çevresinde yer alırsa manyetik ekran rolü oynar ve kabı yerçekimi alanından korur. Bir transformatörde alan (dolayısıyla manyetik akı) metal çerçeve içinde hapsolur. Birincil ve ikincil devreler düzeyinde alternatif akım rejiminde akı değişimleriyle indüklenmiş elektromotor kuvvetlerle (gerilimler) her sargının n sarım sayısı orantılıdır. Bir elektromıknatısta manyetik devre l< kalınlığında bir çekirdek aracılığıyla kesilmiştir. Kapalı bir devredekinden düşük olmasına rağmen alan gene bu önemli ölçüdedir. Yaklaşık bağlantı olan B= 0 ni/e eşitliği güçlü bir alanın (1 tesla) kabul edilebilir çekirdek aralığı içinde (=10 cm) önemli bir akım (105A) gerektirdiğini gösterir. Bu yüzden Joule olası önemli kayıplar doğurur ve bu alanda aşırı iletkenlere ihtiyaç duyulur. Elektromıknatıslar daha çok ferromanyetik cisimleri çekmede kullanılır. Bu cisimler, alan tarafından tutulduğunda manyetik devreyi kapatma eğilimi gösterir. 4 Mikroskopik Mıknatıslar ’MIKNATISIN MANYETİK ALAN ÇİZGİLERİ ELEKTRİK BOBİNİNİN ÇİZGİLERİNE BENZER. BUNA KARŞILIK MIKNATISIN HER ATOMU MİKROSKOPİK BİR HALKAYA BENZETİLEMEZ.’’ Bir mıknatısın kuzey kutbundan ‘çıkan’ veya güney kutbuna ‘giren’ alan çizgileri gözlemlendiğinde, bu kutuplar bir elektrik dipolünün yükleri gibi birbirine karşıt işaretli iki manyetik ‘kütle’ye benzetilir. Coulomb’un da belirtmiş olduğu gibi iki mıknatısın uçları, elektrik yükleri yasasına göre birbirini çeker ve iter. Gerçekte bu kütleler yoktur. Kutupları soyutlamak için mıknatıs ikiye bölününce, aynı şiddette kutupları olan iki yeni mıknatıs elde edilir. Parçalar arasındaki alanın yönü mıknatısın içinde dışarıda olup bitenin aksine alan çizgilerinin güney kutbundan kuzey kutbuna gittiğini gösterir. Bu iki gözlem, mıknatısı bir solenoitle (elektrik bobini) karşılaştırmanın mümkün olduğunu gösterir; ancak bu durumda akla bir soru gelir: mıknatıslar içinde neden akımlar algılanamıyor? Ampere, akımları mikroskopik kaynaklı olduğu için algılayamadığımızı düşünüyordu. Bir atomda, yörüngesi çevresinde dönen bir elektronun içinden akım geçen küçük bir sarıma benzediği doğrudur. Atomun kuvantum gerçeğine pek uymayan bu klasik ‘görüntü’ mikroskopik Dünya’nın genel bir özelliğini ortaya koyar: her kinetik momente (parçacıkların ‘spin’i dahil olmak üzere) bir manyetik moment eşlik eder. Bu durumda, kinetik moment Plansk değişmezi (h=10-34 J.sn) düzeyindedir; eh / m düzeyinde olan manyetik moment, m kütlesi yerine elektronu e yükü yerleştirilerek bulunur; e / m yaklaşık olarak 1011 ettiğinden, atom manyetik momenti yaklaşık 10-23 A . m2 değerini bulur. Bir doğru üzerine dizilmiş olan bir mol (6.1023) atomun manyetik momentinin değeri 1 cm2 yüzeyli, içinden 6 amperlik bir akım geçen 10 000 sarımlı bir bobinin manyetik momentine eşdeğerdir. Elektronlar, protonlar, hatta nötronlar mikroskopik ölçekli mıknatıslardır ve bunların manyetik etkileri sayesinde, elektronun veya protonun spini gibi kinetik momentleri bulunmuştur. Mesela protonun manyetik enerjisi iki karşıt değer alabilir: MB. Bu iki düzey arasındaki geçişe, protonun hemen yakınındaki çevre hakkında bilgi veren bir ışıma yayımı eşlik eder. İşte nükleer rezonansın (NMR) ilkesi bu olaya dayanır. Mıknatıslanmanın Sırları Demir ile çelik ferromanyetik malzemelerdir. Manyetik momentler bu malzemelerin içinde rastlantısal bir yönelime göre küçük bölgeler halinde sıralanır. Bir dış alan uygulandığında, her bölge momentini alanla aynı sıraya sokma eğilimi gösterir. Bölgelerin çeperleri az çok tersinir bir şekilde yer değiştirir; bu olgu almaşık manyetik alanların içinde kalan bir malzeme için her bölgenin farklı değerler aldığı bir mıknatıslanma biçiminde ortaya çıkar. Histeresiz çevrimi de bu durumu temsil eder ve uygulanan alana göre mıknatıslanmanın değişimlerini gösterir. Dar çevrim yumuşak bir malzemede görülür. Bir mıknatıs veya bilgisayar belleği için sert malzeme (geniş çevrim) kullanılır;bu malzemeler büyük alan değişimleri halinde sabit mıknatıslanma 5 gösterir. Ferromanyetik maddeler alan çizgilerini belirli bir yöne sevk etme eğilimindedir. Bu olay elektromıknatıslarda veya teyp okuyucu (yada kaydedici) kafalarda kullanılmaktadır. Çekirdek aralığındaki (devrenin açıklığı) akım şiddetiyle devreyi çevreleyen bobin içindeki akım şiddeti doğru orantılıdır. Böylece, çekirdek aralığı önünden geçen manyetik bandın parçacıklarını akımın şiddeti değiştirilerek az çok yönlendirmek mümkün olur. Yerin Manyetik Alanı Yerin yakınına yerleştirilen ve birbirine dik iki eksenin çevresinde dönebilen mıknatıslı küçük bir iğne , her zaman , göz önüne alınan noktadaki yerel indüklemenin doğrultusunda belirli bir yönelim alır. Konuma bağlım olan bu indüklemeyi tanımlamak için , iki açıdan yararlanılır: D sapma açısı ve İ eğim açısı. Yere ilişkin indüklemenin şiddeti ortama göre değişir. Manyetik Akı Bir S yüzeyindeki manyetik indükleme akısı, kullanımı , indüklemeninkinden daha kolay görünen skaler (yani cebirsel bir sayıyla belirlenen) bir büyüklüktür. B manyetik indükleme vektörü, göz önüne alınan S yüzeyine dik ve bu yüzeyin her noktasında aynı B modülüne sahip olduğu zaman , akısı BS çarpımına eşittir. (B,S yüzeyine dik olmayıp bu yüzeyin N normaliyle bir açısı yapıyorsa, akısı B.S cos ’ya eşit olur.) bu durumda B tesla, S metrekare ve weber (simge : Wb) olarak gösterilir. Maxwell (Mx) ise C.G.S sistemindeki manyetik akı birimidir : 1 Mx = 10-8 Wb . Magnetizma Açısından Önemli Tarihler Mıknatıs özelliğini her zaman koruyan cisimler Eskiçağ’dan beri; özellikle bu mineralleri Anadolu’da, Magnesia adlı bir kentin yakınında bulan Eski Yunanlılar tarafından biliniyordu. Ama o dönemde mıknatısların özellikleri büyülü özellikler olarak görülüyordu. Söz konusu cisimlerin ilk uygulaması ancak XIII. yüzyılın başında ortaya çıktı: XIII. yy. başı: Mıknatıslı demirden bir iğne pusula olarak kullanıldı. (Çinliler bu buluşun çok daha önce kendileri tarafından gerçekleştirildiğini ileri sürerler ama elde kesin olarak inandırıcı bir metin yoktur.); 1302: İlk gerçek eksenli pusulanın bulunması; XV. yy. sonu : Kristof Kolomb Atlas Okyanusu’nu geçerek, fizikçilerin karşısına D sapma açısı (mıknatıslı ucun gösterdiği magnetik meridyenle coğrafi meridyen arasındaki açı) sorununu getirdi; 6 XVI. yy. sonu : Norman, İ eğim açısını (ağırlık merkezinden geçen yatay bir eksenin çevresinde hareket eden mıknatıslı bir iğnenin yatay düzlemle oluşturduğu açı) inceledi; XVII. yy başı : Gilbert, magnetizmayla ilgili ilk deneyleri gerçekleştirdi ve magnetik alanı inceledi; 1701: Sapma açısıyla ilgili ilk magnetik haritalar (Halley haritaları) gerçekleştirildi. XIX. yy. başı : Coulomb, Gauss ve Weber magnetizmaya geleneksel görünümünü verdiler.; 1895 : Pierre Curie, demirin magnetik özelliğinin sıcaklıkla değişimini buldu; XX. yy : Weiss, bir bakıma basit atomik bir magnetik moment olan magneton kavramını getirdi. Kaynaklar Thema Larousse Cumhuriyet Ansiklopedisi Gelişim Hachette Temel Britannica
