1.AMAÇ. Bu projede amacımız, manyetik alan olu turularak boru içerisindeki nano boyutta manyetik taneciklerin hızlandırılmasıdır.

Transkript

1 1.AMAÇ Bu projede amacımız, manyetik alan olu turularak boru içerisindeki nano boyutta manyetik taneciklerin hızlandırılmasıdır..g R Manyetik hızlandırıcının temel olarak çalı ma prensibi elektromanyetik teoriye dayanır. Projemizde gerçekle tirilmeye çalı ılan durum, de i en güçlü bir manyetik alan yaratarak hareket ettirilecek nanomanyetik parçaçıkların manyetik alanı takip etmesini sa lamaktır. Bu tip uygulamaları bu denli cazip kılan özellik de burada yatmaktadır. Benzer elektromanyetik hızlandırıcılarda, katı nesnelerin laboratuvar ortamında 5 km/sn ye kadar hızlandırılması mümkündür ve bu sınır temelde sadece teknolojik bir sınırdır. nsan kan akı hızının cm/sn oldu u dü ünülerek, nanomanyetik parçaçıkların hızını 0-00 cm/sn aralı ında ayarlayabilecek hareketi projede hedefimiz olarak belirlenmi tir. Sıvı içindeki nanometre boyutundaki parçacıklara etki edecek kuvvetten yararlanarak manyetik parçacıkların sıvı içindeki hareketi ile ilaç ta ınması dü ünülmektedir..1. MANYET K ALAN Manyetik alan, elektrik yüklerinin hareketi sonucunda ortaya çıkan bir etkidir. Bir maddenin en küçük parçası olan atomlarda negatif yüklü olan elektronlar, çekirdek etrafında yörüngesel bir hareket yaptıkları gibi, kendi eksenleri etrafında da bir dönme hareketi yaparlar( ekil -1). ekil 1.a) Bir elektronun yörüngesel hareketi b) Bir elektronun manyetik momenti Elektrik akımının yüklü parçacıkların hareketi sonucunda meydana gelmesi nedeniyle bu hareketlere, bir çe it mikroskopik akımlar gözüyle bakılabilece i ve tabii ve yapay miknatısların manyetik özellikler göstermesinde etkin oldukları ilk kez Ampere tarafından ileri sürülmü tür. Manyetik etkilerin, söz konusu bu mikroskopik akımlardan ileri geldi i savı, günümüzde de artık kesinlik kazanmı tır. Bu sava göre elektrik yüklü parçacıklar hareket 1

2 halinde ise ortamda bir de i iklik meydana gelir. te akım ta ıyan bir bobinin yada bir miknatısın bulundu u ortamda manyetik kuvvet olarak ortaya çıkan bu de i iklik, manyetik alan olarak adlandırılır. Manyetik alan; do rultusu, yönü ve iddeti ile belirlenen vektörel bir büyüklüktür. Her hangi bir ortamdaki manyetik alan, kuvvet çizgileri ya da manyetik akı çizgileri ile gösterilir. Kuvvet çizgileri, N kutbundan çıkıp S kutbuna girerek mıknatıs içinden geçerek kapalı bir yol olu turur. letkenlerden olu an bir bobin göz önüne alınır ve bu bobinden bir akım geçirilirse, yukarıda da belirtildi i gibi, bir manyetik alan meydana gelir. Bu alanın belirtilmesinde kullanılan kuvvet çizgileri, bobin ekseni yönünde olmak üzere bobinin bir tarafından girip di er tarafından çıkarlar( ekil -). Mıknatıslarda oldu u gibi kuvvet çizgilerinin çıktı ı bobin ucu N, çıktı ı uç ise S kutbunu gösterir. Manyetik alan olu turulmasında üç de i ik yol söz konusudur. Bunlar; elektrik akımı daimi mıknatıslar ve elektrik alanın de i imidir. ekil.bobindeki manyetik kuvvetin gösterimi..manyet K MADDELER Faraday, yaptı ı ara tırmalar sonunda tüm maddelerin, manyetik alana bir tepki gösterdi ini ve bu tepki nedeniyle kar ılıklı bir etkile imin söz konusu olmasından dolayı maddelerin üç grupta toplanabildi ini göstermi tir; 1) Diamanyetik Maddeler : Ba ıl manyetik geçirgenlikleri r < 1 olan bu tür maddeler, güçlü bir manyetik alana dik ekilde kendilerini yönlendirirler. Diamanyetizma, tek sayıda elektronlara sahip ve tamamlanmamı içi kabu u olmayan maddelerde görünür. Radyum, potasyum, magnezyum, hidrojen, bakır,gümü, altın ve su diamanyetik gruba girerler. ) Paramanyetik Maddeler : Ba ıl manyetik geçirgenlikleri r > 1 olan bu tür maddeler, güçlü bir manyetik alana paralel ekilde kendilerini yönlendirirler. Paramanyetizma çift sayıda elektronlara sahip maddelerde görülür. Hava,alüminyum ve silisyum paramanyetik gruba girer.

3 3) Ferromanyetik Maddeler : Demir, nikel, kobalt ve ala ımlarını içeren maddeler bu gruba girer. Uygulanan manyetik alan altında yüksek manyetizasyon ve histeresiz özelli i gösterirler. ekil 3. Para/Ferromanyetik maddeler. 3. FERROMANYET K MALZEMELER Atomik sayıları 1 ila 8, 39 ila 45, 57 ila 78 arasında ve 89 ve büyük olan malzemelerde manyetik moment söz konusudur. En önemli aralık 1 ila 8 arasında olup, bu aralıkta bulunan vanadium, krom, manganez, demir, nikel, kobalt ve bunların ala ımlarında netmanyetik momentleri manyetik alan altında sıfırdan farklıdır ve manyetik alan kaldırıldı ına dahi manyetizasyonları hemen kaybolmaz. Bu malzemelere ferromanyetik malzemeler adı verilir. Bu gibi malzemelerde birbirine kom u atomların dizilimler ekil-4 deki gibi olup, yapıları nedeniyle elektronlarının döngü eksenleri hep aynı yönde oldu undan net manyetik momentleri bölgesel olarak sıfırdan farklıdır. ekil 4. Ferromanyetik maddelerin manyetik moment dizilimleri Ferromanyetik malzemelerde manyetik akı, atomların sıralanma yönü do rultusu boyunca bir süreklilik içindedir. Sadece demir, nikel ve kobalttan olu an küçük bir saf elementler grubunda, aynı sıradaki momentler normal ısıda ferromanyetik meydana getirir. Bununla beraber, normal ısının biraz altında bu elementlerdeki ferromanyetik etkilenmez. Isı sonucunda olu an kuvvetler, tamamen kom u atomlarda manyetik moment olu turan elektronlar arasındaki mesafeye ba lıdır. Mesafenin belli bir de erinde ferromanyetik olan malzeme, bu belli de erin altında manyetik olmayan malzeme duruma geçer. De i ik bir 3

4 uygulama, farklı manyetik momentlere sahip farklı dizimli iki grup atom yapısından bir magnet elde edilebilmesidir. ( ekil 5) Bu yapı ferrimanyetik bir yapı olup, bu gruptaki malzemeler ferrit olarak bilinmektedir. ekil 5. Ferromanyetik maddelerin manyetizasyon vektörleri Ferromanyetik maddeler manyetik özellik bakımından, diamanyetik ve paramanyetik maddelere göre ayrıcalık gösterir. Ba ıl manyetik geçirgenlikleri 1 den çok büyüktür. Ba ıl manyetik geçirgenlikleri, malzemenin cinsine, malzemeye daha önce uygulanan manyetik i lemlere ve manyetik alan iddetinin de erine ba lı olarak de i kendir. Paramanyetik ve diamanyetik maddelerde B manyetik akı yo unlu u (endüksiyon) ile H alan iddeti arasında do rusal bir ili ki varken, ferromanyetik malzemelerde bu ili ki do rusal de ildir. Manyetik histerisize sahiptirler. ( ekil 6) Ferromanyetik maddeler Curie sıcaklı ı üzerinde paramanyetik malzeme durumuna geçerler..4. H STER S Z ÇEVR M Ferromanyetik malzemeler, histerisiz çevrimi ile karakterize edilir. Histerisiz çevrimi, tam bir miknatıslanma peryodunda malzemenin manyetik alan iddeti H ile manyetik akı yo unlu u B arasındaki ili kiyi gösterir. ekil 6. Histerisiz çevriminin elde edili i 4

5 Uyarma akımı dolayısı ile H manyetik alan iddeti arttırıldıkça B manyetik akı yo unlu u da doyma noktasına kadar artar. Bu noktadan itibaren uyarma akımı dolayısı ile H alan iddeti azaltılarak geri dönülecek olursa B nin daha önce H nin arttırılırken aldı ı de erlerden daha büyük de erler alarak e ri boyunca azaldı ı görülür. Uyarma akımı kesilerek H = 0 yapılsa bile B, bir de er alır. H nin aynı de erleri için B nin farklı de erler alması olayına histeresiz adı verilir. ekilde verilen kapalı e ri histerisiz e risi elde edilir..5. MANYETIK ALAN HESABI Bir bobin sargılardan olu tu undan çember biçimindeki (selonoid) sargıdaki tek bir manyetik alanı basit olarak incelendi inde sargı içine yerle tirilmi herhangi bir nüvenin (çekirdek) olmadı ı varsayımından hareket edilmektedir. ekil 7. Tek sargının manyetik alanı ekil 7 teki tek sargının manyetik alanı sa tarafta ekle benzer olacaktır. Bu alan çizgileri y-z boyunca çizilmi taslak çizgilerdir. Bu çizgiler aynı zamanda x-y düzleminde de simetriktirler. Yine dikkat edilecek ba ka bir özellikte alan çizgilerinin iletkenden uzakla tıkça zayıfladı ıdır. Dairesel iletken için manyetik alan veya x ekseni boyunca de i im gösterilirse 0IR B 3 r 5

6 B IR 0 ( R r ) 3 / ( 1) ekil 8. X ekseni gösterimi Manyetik alan kuvvetini hesaplandı ında kullanılacak en basit yöntem merkezden çıkan x ekseninde çalı maktır..6. B R SELONO D N EKSEN BOYUNCA MANYET K ALAN ekil 9. Selonoidin manyetik alanı L uzunlu u R yarıçapından oldukça büyük olan bir selonoide ideal selonoid denilmektedir. Böyle bir ideal selonoidin simetri ekseninde ve uçlarındaki manyetik alan hesaplandı ında, N sarımlı bobinin içinden geçan akımın herhangi bir noktada olu turdu u manyetik alan o noktada selonoidin her sarımının olu turdu u manyetik alanların bile kesidir.selonoidin ekseni üzerindeki bir P noktasındaki akı yo unlu unu bulmak için P den eksen do rultusunda x kadar uzakta bulunan, selonodin bir dx elementer uzunlu u ele alınır.selonoidin sarım sayısı N, uzunlu u l dir. Buna göre dx uzunlu undaki sarım sayısı (N/l)dx olacaktır. 6

7 ekil 10. deal bir selonoidin içindeki ve uçlarındaki manyetik alanının hesaplanması Manyetik alan, denklem 1 kullanılarak bulunur. r ( x R elde edilir. Burada ) ba ıntıda yerine konulursa 0IR N db I( ) dx 3/ ( R r ) L 0NIR db 3 Lr R x R, dx tg Sin d R, r ( R x ) de i kenleri yerine konulursa tg B NI 0 ( Cos Cos ) l dx () ba ıntısı elde edilir. Bu ba ıntı selonoidin sadece içinde de il, dı ındaki herhangi bir nokta içinde geçerlidir. Uzun bir selonoidin içinde ve eksen üzerindeki herhangi bir noktada =0 ve =180 olaca ından böyle bir noktada manyetik alan, B 0NI l Uçlarında ise =0 ve =90 olaca ından manyetik alan, olacaktır. B 0 NI l 7

8 Özet olarak, selonoid içinde ve dı ında manyetik alan de erleri ekseni boyunca de i mektedir.burada z ekseni boyunca de i imi ele elırsak, ekil 11. Selonoidin manyetik alanı Selonoidin dı ındaki manyetik alan de i imi denklemi ile, Selenodin içindeki manyetik alanı ise; denklemi ile de i ir. 8

9 3. MATERYAL- YÖNTEM Nano manyetik parçacıkların uygulama alanlarından yola çıkarak projemizi 3 a amada gerçekle tirilmi tir. lk a amada nano manyetik parçacık eldesi için çalı malar yapılmı ve bu a amada manyetik parçacıklar için ferro manyetik malzeme olarak demir metali kullanılmı tır. Ba langıçta Ege Üniversitesi Kimya Bölümü ve Biyoloji Bölümü nden destek alınarak ferroakı kan yapımı denenmi tir ve laboratuar ortamında elde edilmi tir. Fakat devre üzerinde denemelerimizin sonunda bu madde ile manyetik alanda istenilen hız de erleri gözlenememi tir. Bu yüzden üretti imiz ferromanyetik parçacıklar yerine daha yüksek manyetizasyona sahip oldu unu dü ündü ümüz ba ka bir ferromanyetik madde kullanılmı tır. Projemizin ikinci a amasında ferromanyetik parçacıkların ta ınabilmesi için çe itli devreler denenmi tir. Kademeli olarak hızlandırma sa layaca ını dü ündü ümüz devre ile tetikleme yapılmı tır. ekil-1 de görülen devre ile tetiklenen yan yana sıralanmı bobinlere verilen 0 voltluk gerilim devre içinde 60 V a çevrilerek verilip manyetik alan olu turulmu tur. ekil 1. Tetikleme devresi Devrede 500 sarımlı ve 1000 sarımlı adet bobin ardarda dizilmi tir ( ekil 13). ekil 13. Bobinler 9

10 Bobinlerin yarattı ı manyetik alan faydalanabilmek için ortalarından cam bir boru geçirilmi, geçirilen borunun içindeki nanomanyetik parçacıkları hızlandırılmı tır. Resim 1. Hızlandırıcı sistem Son a amada olu turulan devre ve bobinler kullanılarak modelleme yapılmı ve nano manyetik parçacıkların hızları ölçülmü tür. Bu hızlar referans alınarak uygulama alanları tartı ılmı tır. Bobindeki akımın maksimum de eri,7 A olarak ölçüldü. Sonrasında bobindeki akım de i imi RL devresi için i=(l/r)(1-e -(R/L*t) ) denklemi kullanılarak MATLAB ortamında çizdirilmi tir(grafik 1). Elde edilen akıma ba lı olarak sonraki bölümlerde hesaplanan manyetik alanda aynı ekilde de i ecektir. 3 Bobin akımının artı ı.5 Bobin akımının diyot ve direnç ile azaltılması Diyotsuz durumda akım azalması Bobin akimi (A) Zaman(sn) Grafik 1. Bobindeki akımın zamanla de i imi. 10

11 Bobin üzerine uygulanan gerilim kaldırıldı ında bobinde depolanan enerji hemen yok olmayacaktır. Bu enerji 1 U B LI ile ifade edilir. Buna göre kalan enerji manyetik alan olu turmaya devam edecektir. Bu sebeple bu enerjinin sıfırlanması ve bobin sonunda olu an ters yönlü olu acak kuvvetin engellenmesi gerekmektedir. Akımın daha hızlı sıfırlanması hızlandırmada uygulanan ters yönlü kuvvetlerin etkisini azaltmak için önemlidir. Çözüm olarak bobinler üzerine ters yönlü olarak diyot ve direnç eklendi. Böylece R/L de eri yüksek olacak ekilde ayarlanarak bobin üzerinden hızlı bir ekilde akımın sıfırlanması sa landı. Kullandı ımız selenoidlerde olu turdu umuz manyetik alan içine yerle tirilen boru içindeki nanomanyetik parçacıklara kuvvet uygular. Bu kuvvet parçacıkların manyetizasyon özelliklerine ve manyetik alanın yönüne ba lı olarak de i ir. Uygulanan manyetik alan eksen boyunca sabit de ilse nanomanyetik parçacıklar de i en manyetik alanın etkisi ile kuvvet altında kalır ve ivmelenir. Manyetik alan olu turmak için kısa selenoid kullanıldı. Ölçümlerimizde ve denklemimizde manyetik alanın uzaklıkla denklem ye göre de i ti i görülmü tür. Bu de i im grafiklerle yorumlanmı tır Manyetik alan(gauss) Teorik dı alan Deneysel dı alan Eksen boyunca uzaklik(m) Grafik. Manyetik alan- eksen boyunca uzaklık 11

12 Manyetik alan ölçümleri kullanılarak manyetik alan de i imi yorumlanmı tır. Ölçümlerde Ege Üniversitesi Manyeto-Optik Laboratuvarında bulunan Gaussmetre cihazını kullanılmı tır. Ancak malzemenin içinde manyetik alan de i imi sa lıklı olarak ölçülememi tir. Deneysel ve teorik olarak elde edilen sonuçlarla elde etti imiz sonuçlar Grafik- de gösterilmi tir. Kullanılan nanomanyetik parçacıklarda normal ferromanyetik parçalarda görülen kalıcı mıknatıslık olayı gözlenmeyecektir. Manyetizasyon de erleri manyetik alan kaldırılır kaldırılmaz sıfır olacaktır. Manyetik alan altında örneklerin manyetize olması için malzeme içinde da ınık bulunan manyetik bölgelerin manyetik alan yönünde yönlenmeleri ile mümkün olmaktadır. Manyetik parçacıkların manyetik alan içinde hızlanmaları için manyetik alanın eksen boyunca de i iyor olması gerekmektedir. Mesafeye ba lı olarak manyetik alan de i imi ve parçacı ın manyetizasyonu ile orantılı bir kuvvet uygulanmaktadır. Bu da parçacıkların ivmelenmesini sa lamaktadır. Kuvvetin hesaplanabilmesi için mesafeye göre manyetik alan de i iminin bilinmesi gerekmektedir. (F=M.V. B / x ) Bu sebeple B / x kullanılarak bize kuvvet de i imi hakkında fikir verecek manyetik alan de i imi hesaplanmı tır. Bu hesaplar normalize edilerek grafiklenmi tir. Grafik-3 de görüldü ü gibi manyetik alan de i iminin fazla oldu u bölgede kuvvet en yüksek düzeyde olacaktır. 1 Bobin manyetik alan de i imi Manyetik alan ve Manyetik Alan De i imi x ekseni boyunca kuvvet -x (ters) ekseni boyunca kuvvet (Manyetik alan de i imi) x ekseni Grafik 3. Manyetik alanın eksen boyunca uzaklık de i imi 1

13 Nanomanyetik parçacıkların hareketi için hız ölçümü kameraya alınan görüntünün bilgisayarda incelenmesi ile yapılmı tır. Görüntüde parçacıkların alan merkezine çekildi i ve bu yolla da sıra sıra giderek hızlandı ı gözlemlenmi tir. Manyetik parçacıkların harekete ba laması ile hareketin bitti i bölge arasındaki zaman farkı ve uzaklık ölçülerek hız hesaplanmı tır. Manyetik tanecikler 7, santimetreyi 0,4 saniyede alınmı tır. Böylece taneciklerin hızı 0,18 m/s dir. Ölçülen hız de eri ortalama hız de eridir. Hızın anlık de i imleri için gerekli olan ölçüm sistemi ilerideki a amalar için dü ünülmü tür. 13

14 4.SONUÇ VE TARTI MA Bobinlerde manyetik alan için yaptı ımız teorik hesaplamalar ile deneysel ölçümlerin uyumu sa lanmı tır. Manyetik alanda nanoboyutta parçacıkların hareketlerinin istenilen seviyede olması için manyetik alan de erinin yanında manyetik alan de i iminin büyük olması gerekti i sonucuna varılmı tır. Daha yüksek akımlar ve bu akımlarda çalı abilecek bobin tasarımı ile nanomanyetik parçacıkların konumları ve hızları kontrol edilebilir. Projede manyetik alan de i imi ve kuvvet arasındaki ili ki (bk grafik 3) üzerinden hızlandırma yapılmı tır. Nanomanyetik parçaçıkların hızı 18 cm/s dir. Projenin ba langıçta konulan hız hedefine ula ılmı tır ve bu maddelerle ilaç ta ınması veya ok emici olarak kullanılması dü üncesi için umut verici bir çalı ma olmu tur. 14

15 KAYNAKÇA 1.Giancoli D.C.,(005), Physics, Pearson Education Publishing Company, NJ;USA.Elektromekanik Enerji Dönü ümü Ders Notları, Prof.Dr. Emin Tacer, TÜ Elektrik-Elektronik Fakültesi 3.Berger P,Preparing and Propertiies of Aqueous Ferrofluid,Journal of Chemical Education, Vol.76, No.7, July Roland,P. Particle Steering by Active Control of Magnetic Fields and Magnetic Particle Agglomeration Avoidance, ISR Technical Report Zahn M.,Magnetic fluid and nanoparticle application to nanotechnology, Journal of Nanoparticle Research3: 73-78, Beasant P., (00), Elektronik, Tübitak Yayınları, Ankara 7. Yaz M.A, Aksoy S., Abacı S., Yalçıneli M., Teymur A., Vardar T., (1997), Fizik Elektrik ve Manyetizma, Sürat Yayınları, stanbul 8.Cheng D.K., (1989), Field and Wave Electromagnetics, Addison-Wesley Publishing Company,NewYork,USA 15

16 EK-1 MATLAB PROGRAMLARI %1000 sarım Enduktans akim zman m0=4*pi*1e-7; N=1000; i=0.1; l=1.5e-; Alan=(10e-3)^*pi; L=m0*N^*Alan/1.5e-; R1=3; R=1e3; ts=10e-3; t1=0:1e-4:ts t=ts:1e-4:30e-3 ; i1=(60/r1)*(1-exp(-r1/l*t1)); i=(60/r1)*(1-exp(-r1/l*ts))*exp(-r/l*(t-ts)); i3=(60/r1)*(1-exp(-r1/l*ts))*exp(-r1/l*(t-ts)); plot(t1,i1,t,i,t,i3) xlabel('zaman(sn)','fontsize',14) ylabel('bobin akimi (A)','FontSize',14) %Manyetik alan ve Manyetik alan kuvvet de i imi m0=4*pi*1e-7; N1=500; i=1; l1=10e-; N=1000;l=0e-; N3=4000;l3=30e-; xi=0:0.001:100e-;r=5*1e-3; a=0e-;b=50e-;c=100e-; B1=m0*N1*i/(*l1)*(((xi-l1/-a)+l1/)./(((xi-l1/-a)+l1/).^+r^).^.5- ((xi-l1/-a)-l1/)./(((xi-l1/-a)-l1/).^+r^).^.5)*10000; B=m0*N*i/(*l)*(((xi-l/-b)+l/)./(((xi-l/-b)+l/).^+r^).^.5- ((xi-l/-b)-l/)./(((xi-l/-b)-l/).^+r^).^.5)*10000; plot(xi,b1+b) %xd=(0:0.1:5)*1e-; k=0.165; Btd=m0*i*k./(*pi*(xd+l/).^3)*10000; %b=l1; %c=l1-l; F1=m0*N1*i/(*l1)*(r^./(((xi-l1/-a)+l1/).^+r^).^1.5-r^./(((xi-l1/- a)-l1/).^+r^).^1.5)*10000; F=m0*N*i/(*l)*(r^./(((xi-l/-b)+l/).^+r^).^1.5-r^./(((xi-l/- b)-l/).^+r^).^1.5)*10000; plot(xi,(f1+f)/max(f1+f),xi,(b1+b)/max(b1+b)) xlabel('x ekseni','fontsize',14) ylabel('manyetik alan ve Manyetik Alan De i imi','fontsize',14) 16