NTSE - Nano Technology Science Education. Project No: LLP TR-KA3-KA3MP ÖĞRENCİ KLAVUZU DALGALAR VE DANS EDEN FERROFLUİDLER

Transkript

1 NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP ÖĞRENCİ KLAVUZU DALGALAR VE DANS EDEN FERROFLUİDLER DENEY ÖNCESİ OKUMA Plajda arkdaşlarınızla oturup güneşin batışını seyrettiğinizi düşünün. Güneş kırmızı olup batarken sahile hafif hafif vuran dalgaları seyrediyorsunuz. O anda dalgaları sadece görmüyor aynı zamanda dinlendirici seslerini de duyuyorsunuz. O sırada kaç tür dalga olduğunu fark edebilirsiniz? Şekil 1: Deniz kıyısında gün batımı. (1) A. Dalga türleri: 1. Mekanik Dalga Materyal dalga da denen mekanik dalgalar hareket etmek için bir ortama ihtiyaç duyan dalgalardır. Mekanik dalgalar materyalin yerel salınımına neden olur. Salınımlı materyal ilk denge pozisyonundan uzağa gitmez. Mekanik dalgalar yalnızca enerji taşır. Bu enerji dalga ile aynı yönde yayılır. Her tür dalganın (mekanik ya da elektromanyetik) belirli bir enerjisi vardır. Mekanik dalga sonucunda materyal taşınmaz. Şekil 2: Su yüzeyindeki dalgalar. (2) 1

2 Mekanik dalga türleri: Enine dalga: Enine dalga, ortamdaki parçacıkların dalganın hareket ettiği yöne dik şekilde hareket ettiği dalgadır. Enine dalgalar ortamın dalganın yönüne dik bir açıyla hareket etmesini sağlar. Enine dalgaların iki bölümü vardır; tepe ve çukur. Tepe, dalganın en yüksekteki noktası, çukur ise en alçak noktasıdır. Dalga boyu tepeden tepeye ya da çukurdan çukura olan mesafedir. Işık, elektromanyetik (EM) dalga olmasına rağmen enine dalga özelliklerine sahiptir. Şekil 3: Enine dalgalar. (3) Boyuna dalga: Boyuna dalga, ortamdaki parçacıkların dalganın yönüne paralel yönde hareket ettiği dalga türüdür. Boyuna dalganın hızı yüksek kırılma indisinde, sıkışan ortamdaki atomların daha yakın olması nedeniyle artar. Ses boyuna dalga olarak kabul edilir. Şekil 4: Boyuna dalgalar. (4) Yüzey dalgaları: Yüzey dalgası ortamdaki parçacıkların dairesel hareket ettiği dalgadır. Yüzey dalgaları ne boylamsal ne de çaprazdır. Bu tür dalgalar iki ortam arasındaki yüzeyde hareket eder. Yüzey dalgasına örnek olarak havuz, deniz, göl ya da başka su kütlesindeki dalgalar gösterilebilir. Figure 5: Yüzey dalgaları. (5) 2

3 2. Elektromanyetik Dalgalar Elektromanyetik (EM) dalga enerjisini bir vakumda (ör, uzay boşluğu) yayabilen dalgadır. EM dalgalar yüklü parçacıkların titreşimi ile oluşur. EM dalga yayılmak için herhangi bir maddesel ortama ihtiyaç duymayan bir karışıklıktır ve vakumda bile hareket edebilir. Farklı elektrik ve manyetik alanlar nedeniyle oluşurlar. Işık, mikrodalga, X-ışınları, radyo ve TV iletimleri EM dalgalarına örnektir. Elektrik alan elektrik yüklü parçacıkları çevreleyen bir vektör alanıdır. Benzer şekilde, manyetik alan bir manyetik kutbu çevreleyen bir vektör alanıdır. Bunun yanı sıra, örneğin elektrik alandaki yüklü bir parçacığın hareketine bağlı olarak zamanla değişen bir elektrik alanı da manyetik bir alan oluşturur. Diğer bir deyişle, hareket eden bir yükte her zaman bir manyetik ve elektrik alan bulunur ve bu nedenle elektromanyetik alan adında bir alanda birbirleri ile bağlantılıdırlar. Bu alanda, elektrik alan ve manyetik alan birbirlerine dik açılarla hareket ederler. Mekanik Dalgalar ve Elektromanyetik Dalgalar arasındaki Farklar Şekil 6: Elektromagnetik dalgalar. (6) Mekanik dalgaların yayılması için bir maddesel ortam gerekmektedir, elektromanyetik dalgalar yayılmak için bir maddesel ortama ihtiyaç duymazlar. Mekanik dalgalar ortamdaki parçacıkların titreşimleri ile oluşur, elektromanyetik dalgalar elektrik ve manyetik alanlardaki değişiklikler sayesinde oluşur. Mekanik dalgalar düşük hıza sahiptir, elektromanyetik dalgaların hızı yüksektir. B. Dalga Enerji Taşır: Mekanik dalgalar ve elektromanyetik dalgalar enerjinin çevremizdeki dünyada taşınması için gerekli olan iki önemli yoldur. Sudaki dalgalar ve havadaki ses dalgaları mekanik dalgaya iki örnektir. Mekanik dalgalar katı, sıvı veya gaz halindeki maddedeki karışıklık ya da titreşim ile oluşur. Dalgaların hareket ettiği maddelere ortam denir. Su dalgaları bir sıvıdaki titreşimler ile oluşurken, ses dalgaları gazdaki (hava) titreşimler ile oluşur. Bu mekanik dalgalar, bir molekülden diğerine enerjiyi aktarırken düşen domino taşları gibi moleküllerin birbirine çarpmasına neden olarak ortamda hareket ederler. Ses dalgaları, uzaydaki havasız alanda (vakum) hareket edemezler çünkü bu mekanik dalgaların yayılmasını sağlayacak ortam bulunmaz. Klasik dalgalar enerjiyi ortam içerisinde maddeyi taşımadan iletir. Bir göldeki dalgalar su moleküllerini bir yerden başka bir yere taşımaz, onun yerine, sudaki halkaların üzerinde hareket eden böcek gibi su moleküllerini yerine bırakarak su içerisinde dalganın enerjisi hareket eder. Figure 7: Example of energy transfer. (7) 3

4 Etkinlik 1: Yaz tatillerinizi hatırlayın. Denizdeki derin bölgeleri işaretlemek için dubaların kullanıldığını görürsünüz. Denizde dalga olduğu zaman dubaların da dalgalarla birlikte hareket ettiğini görürsünüz. Figure 8: Deniz dubaları. (8) Dubaların sıvıdaki nanoparçacıklar olduğunu ve manyetik alandaki dalgalarımızın denizdeki dalgalar gibi görülebileceğini düşünebilirsiniz. Etkinlik 2: Bu deney için plastik bir kap ve küçük toplara ihtiyacımız var. Şekil 9: Plastik kap (9) Şekil 10: Plastik toplar (10) İlk olarak, kabın yarısını su ile doldurun ve küçük topları kaba koyun. Daha sonra kaba alttan vurmaya başlayabilirsiniz. Vurduğunuzda su nedeniyle kapta dalgalar oluşur. Bu dalgalar toplarınızı hareket ettirir. Bu sistemde enerji transferini gözlemleyebilirsiniz. Etkinlik 3: Ferromanyetik Nanoparçacıkların davranışı ile ilgili olarak kaptaki küçük topların hareketi esas alınabilir. Ferromanyetik Nanoparçacıkların davranışını anlamak için videoları izleyiniz. Etkinlik 4 (Video): Zamanla değişen manyetik alana yerleştirilmiş içi sıvı dolu deney tüpündeki ferromanyetik nanoparçacıkların davranışlarını gözlemlemek. 4

5 Gerekli malzemeler: 1. İşlev Üreteci (Function Generator - FG) 2. Yüksek Güçte Yükseltici(Amplifikatör) (HPA) 3. Ferro Manyetik Nanoparçacık Tüpü 4. Deney tüpü için tutacak 5. Mıknatıslar için tutacak 6. El feneri 7. Yüksek Güçte Neodyum Mıknatısları 8. Manyetik Alan Oluşturma Bobini İşlev Üreteci (FG): Temel kurulum sırasında zaman değişimli manyetik alan oluşturur. FG kare, üçgen ve sinüs dalga şekilleri ve farklı genliklerde farklı frekanslar oluşturmak için kullanılır. Yüksek Güçte Yükseltici (HPA): Manyetik işletim için bobini çalıştıran akımın artırılması amacıyla FG nin ürettiği sinyalin bu HPA ünitesinde yükseltilmesi gerekir. DC Güç Kaynağı (DC-PSU): Bu ünite HPA ünitesine DC güç sağlar. Şekil 11: İşlev Üreteci (FG), Function Generator (FG), Yüksek. Güçte Yükseltici (HPA) ve DC Güç Kaynağı (DC-PSU). Ferromanyetik Nonaparçacıkların İhtiva Eden Tüp Deney Tüpü için Tutacak Mıknatıslar için Tutacak El Feneri Yüksek Güçte Neodymium Mıknatısları Manyetic Alan Üreten Bobin Deney tüpü tutacağa yerleştirilir. Manyetik alan uygulandığında feromanyetik nanoparçacıkların hareketlerini görebilirsiniz. Alandaki değişikliğe bağlı olarak hareket de değişir. 5

6 Şekil 12: Zamanla değişen manyetik alana yerleştirilmiş içi sıvı dolu deney tüpündeki ferromanyetik nanoparçacıkların davranışları. Adımlar: I- Sabit manyetik alan etkisi altında tüpteki ferro manyetik nanoparçacıkların davranışını gözlemleyin. II- Sabit alanı zaman değişimli manyetik alan etkileri sağlamak için elektro mıknatıs ekleyerek değiştirin. III- Son olarak, deney tüpü sistemindeki ferro manyetik nanoparçacıkların hareketini daha belirginleştirmek için farklı müziklerin seslerini kullanın. Deney: Deney tüpü sistemini Neodyum mıknatıslarının oluşturduğu güçlü manyetik alan üzerine yerleştirin. Daha sonra, sabit manyetik alan sınırlarına 90 derecelik açıyla yerleştirilen bobini kullanarak dış zamanla değişen manyetik alan oluştururuz. Aşağıdaki şekilde görüleceği gibi, sabit manyetik alan sınırlarındaki dikenli kütle daha da görülür hale gelir. Aynı zamanda düşük frekanslı yüksek genlikli zamanla değişen manyetik alan toplam kütlenin orta kısmına etki eder ve alanın frekansı arttıkça kütlenin kenarları da tepkiyi artırır (figure 13). Şekil 13: Ferrofluid ve neodyum mıknatıslarının oluşturduğu güçlü manyetik alan. Bu deneydeki karışıklık, sıvı ve kabın silindirik şekli nedeniyle Deney Tüpü Sisteminin (TTS) bazı önemli parametrelerini analiz etmeye karar verdik. a- İşlev Üretecinin oluşturduğu farklı dalgalarda frekansları 1 den 20 Hz ye kadar tarayın. TTS nin Doğal Rezonans Frekansını kesin bir değer olarak bulacaksınız. 6

7 (Bu frekansın nedeni; Yalnızca belirli miktarda hareket ve nanoparçacık miktarı oluşturabilen manyetik güç ve tüpün belirli şekli.) b- Daha sonra, 1 Hz - 30 Hz arasındaki frekansları tarayın. TTS içindeki nanoparçacıkların 18 Hz üzerine tepki göstermediklerini gözlemleyin, bu da kesme frekansı nı gösterir. (Bu frekansın nedeni belirli bir limitte TTS dışında oluşturulan manyetik alanın deney tüpünün içindeki sıvı ve tüpün şekli nedeniyle nanoparçacıklara artık iletilememesidir) c- Son olarak, manyetik alanın sınırlarını değiştirmek için farklı müziklerin seslerini kullanın. Zamanla değişen manyetik alan sınırlarının etkisi parçacıklar üzerine kolaylıkla görülebilir. Toplam parçacık bulutunun dış kenarlarına doğru hareketi yaparken daha yüksek frekansların etkilerini gözlemleyin. DEĞERLENDİRME Boşlukları uygun ifadelerle doldurunuz. 1- Dalgalar... değil... aktarırlar. 2- Mekanik açıdan bakıldığında, ses... dalganın özelliklerine, ışık... dalganın özelliklerine sahiptir. 3- Yüzey dalgaları iki ortam. yüzeyde hareket eder. 4- Mekanik dalgaların aksine, EM dalgalar.da enerjiyi iletme yetisine sahiptir. 5- Ferrofluidlerin dansı manyetik alandaki... ile oluşur. 6- Belirli bir sınırdan sonra, manyetik güç nanoparçacıklara iletilemez, buna... frekansı denir. KAYNAKLAR: cs/3015bwwf.html (Ferrofluid) (ADELE)