Manyetik Özellikler. Manyetik momentin okla gösterimi

Transkript

1 Manyetik Özellikler Manyetik momentin okla gösterimi

2

3 TARİHÇE Mt. Olympus Troy Greece Magnesia, Manisa Turkey

4 The Stone from Magnesia - Magnetite Magnetite (or lodestone): opaque, black, ceramic crystal. Magnetite (FeO Fe 2 O 3 ) is an oxide of iron which, unlike Fe 2 O 3, is strongly magnetic.

5 Magnetizma olgusu üzerine ilk önemli yapıtın yazarı İngiliz bilim adamı William Gilbert ( ) dir yılında yayınlanan De Magnet adlı yapıtında Gilbert dünyanın de bir mıknatıs olduğunu ve pusulanın ibresinin dünyanın manyetik kutbunu gösterdiğini söylemiştir.

6 Manyetizmanın, elektrik ile ilgisi 1820 yılına kadar anlaşılamamıştır yılında Hans Christian Oersted ( ) pusula iğnesinin yakınındaki bir telden akım geçtiğinde pusula iğnesinin saptığını görmüş ve bir telin içinden akım geçirildiğinde telin çevresinde manyetik alan oluştuğu sonucuna da varmıştır.

7

8 Yine aynı yıl Fransız matematikçi ve fizikçi Andre Marie Ampere ( ) üzerinden akım geçen iki telin birbirlerine kuvvet etki ettirdiğini gözlemlemiştir. Tellerden geçen akımlar aynı yönlü iken teller birbirini itiyor, zıt yönlü iken çekiyordu. Ampere, manyetik alan ile bu alanı doğuran akım arasındaki ilişkiyi matematiksel olarak formülize etmeyi başardı.

9 Oersted, elektrik akımının manyetik alan doğurduğunu bulmuştu. İngiliz kimyacı ve fizikçi Michael Faraday ( ) mıknatısların elektrik akımı yarattığını ve değişen manyetik alanın elektrik alanı doğurduğunu buldu.

10

11 Magnetik tek-kutup yoktur..! S N Magnetik tek-kutup yani manyetik yük (monopol) yoktur. Bir mıknatısı 2 ye bölünürse iki yeni mıknatıs elde edilir.

12 Dünyanın Manyetik Alanı Dünyanın çekirdek kısmındaki bazı akımların oluşması, dünyanın manyetik alanının kaynağı olarak düşünülmektedir. Bunu daha iyi anlayabilmek için dünyanın merkezinde bir çubuk mıknatıs olduğu düşünülür. Coğrafi kutup ekseni ile manyetik kutup ekseni arasında bir açı vardır. Coğrafi kuzey kutup, manyetik güney kutuptur. Ekvator dışında kalan bölgelerde yerin manyetik alanının yüzeye dik bileşeni vardır.

13

14

15 Şekil a. Yörünge elektronu ve b. Dönen elektron ile ilişkili manyetik moment gösterimi

16

17 En temel manyetik moment Bohr manyetonu μ B (M B ) dir ve 9, A m 2 değerine eşittir. Bir atomdaki her bir elektronun spin manyetik momenti ±μ B (+ işareti yukarı doğru, işareti ise aşağı doğru spin hareketi) ile gösterilir.

18

19 Dışarıdan uygulanan manyetik alan bazen manyetik alan şiddeti olarak adlandırılır ve H ile gösterilir. Manyetik alan birbirine yakın mesafeli N çevrimli, l uzunluğunda ve I kadar akım taşıyan bir silindirik sargı (veya selenoid) tarafından üretilmesi durumunda,

20

21

22 Bir H manyetik alanına maruz bırakılan bir maddedeki manyetik alan şiddetinin büyüklüğü, manyetik indükleme veya manyetik akı yoğunluğu ile ifade edilir ve B ile gösterilir.

23

24

25 χ m manyetik hassasiyet olarak adlandırılır ve birimsizdir. Manyetik hassasiyet ile bağıl geçirgenlik arasında aşağıdaki ilişki vardır:

26

27

28

29 Magnetiklik türleri Bir malzemeye magnetik alan uygulandığı zaman aşağıdaki davranışlardan birini sergiler.

30 Diamanyetizma, manyetizmanın çok zayıf bir türüdür, kalıcı nitelikte olmayıp manyetiklik davranışını sadece dışarıdan bir alan uygulanması durumunda koruyabilir. Bu, uygulanan manyetik alanın etkisiyle elektronların yörünge hareketindeki değişiklikten kaynaklanır.

31 Diamanyetizma Bir malzemenin atomlarını etkileyen bir dış manyetik alanı, yörüngede dönen elektronların dengesini hafifçe bozar ve atomların içinde uygulanan alana zıt, küçük mıknatıs çift kutupları yaratır. Bu olay eksi duyarlık diye adlandırılan eksi bir mıknatıs etki yaratır. Eksi duyarlık, χ m değerinde, çok küçük bir eksi mıknatıs duyarlığı oluşturur. Tüm malzemelerde eksi duyarlık bulunmakta, fakat çoğunda artı mıknatıs etkiler tarafından yok edilir. Bu olay mühendislik açısından önemsizdir. 31

32

33

34 Paramanyetizma Bir mıknatıs alanı altında, küçük bir artı mıknatıs duyarlığı gösteren malzemeler artı duyarlı malzemeler, gösterdikleri mıknatıs etki ise artı duyarlık diye adlandırılır. Artı duyarlılık, atomların ya da moleküllerin mıknatıslı çift kutup momentlerinin uygulanan alanla aynı yönde dizilmeleri sonucudur. Uygulanan alan kaldırıldığında malzemedeki artı duyarlık etkisi yok olur. Artı duyarlık, malzemede, arasında bir mıknatıs duyarlığı oluşturur ve pek çok malzemede görülür. 34

35 Dışarıdan bir manyetik alan uygulanmaması durumunda, atomsal manyetik momentlerin yönleri gelişigüzeldir ve bu nedenle, malzemenin küçük bir parçası bile makro ölçekte manyetik davranış sergilemez. Bu atomsal dipoller dönme hareketi için serbesttir ve bir dış alan etkisinde dönme ile tercihli olarak yönlenmeleri neticesinde paramanyetik özellik kazanırlar. Ferromanyetik metalik malzemeler bir dış alana ihtiyaç duymaksızın, kalıcı manyetik momente sahiptirler ve manyetik davranışları kalıcıdır ve akı yoğunlukları büyüktür. Fe (HMK, α- ferrit), Co, Ni geçiş elementlerinde ve nadir toprak elementlerinde, örneğin gadolinyum (Gd) da görülür.

36 Şekil. Bir ferromanyetik malzemede, manyetik alanın bulunmaması durumunda atomsal dipollere ait yönlenmenin şematik gösterimi Bir ferromanyetik malzemede mümkün olan maksimum manyetikleşme veya doyma manyetikleşmesi M s, bir dış alan etkisinde bir katı içerisindeki bütün dipollerin ortak olarak dizilmiş olduğuna işaret eder ve ayrıca buna karşılık gelen bir doyma manyetik akı yoğunluğu B s söz konusudur.

37 Bazı seramik malzemelerin de kalıcı manyetikleşme göstermesi ferrimanyetizma olarak adlandırılır.

38

39 o

40 Uygulamada diamanyetik ve paramanyetik malzemeler manyetik olmayan, ferromanyetikler ise manyetik malzeme kabul edilmektedir. Diamanyetiklerde enerji bandları tam doludur ve manyetik kutup yoktur. Manyetik kuvvetin etkisi ile, kendisi manyetik olmadığı halde çekilen maddelere paramanyetik, itilen maddelere diamanyetik denir. Paramanyetik maddelere örnek olarak alüminyum, baryum ve oksijen, diyamanyetik maddelere ise civa, altın ve bizmut ve benzeri maddeler verilebilir. Ferromanyetik malzemelerde elektron yapıları paramanyetiklere benzer boş alt enerji düzeylerinde tek olan e lar manyetik alan oluşturur. Gruplar halinde komşu atomların manyetik kutupları paralel olarak yönlenirler ve manyetik alanlar meydana gelir. 40

41 MnO is antiferromagnetic Komşu atom veya iyon çiftlerinin spin momentlerinin tamamen birbirine zıt yönde dizilmesi antiferromanyetizma olarak adlandırılır.

42

43 43

44

45 Magnet Types Summarized Magnetism Susceptibility Atomic / Magnetic Behavior Example / Susceptibility Diamagnetism Small & negative. Atoms have no magnetic moment Au Cu -2.74x x10-6 Paramagnetism Small & positive. Atoms have randomly oriented magnetic moments β-sn Pt Mn 0.19x x x10-6 Ferromagnetism Large & positive, function of applied field, microstructure dependent. Atoms have parallel aligned magnetic moments Fe ~100,000 Antiferromagnetism Small & positive. Atoms have mixed parallel and antiparallel aligned magnetic moments Cr 3.6x10-6 Ferrimagnetism Large & positive, function of applied field, microstructure dependent Atoms have antiparallel aligned magnetic moments Ba ferrite ~3

46

47 Örnek 1: 5000 nispi (relatif) geçirgenlikli bir malzemeye 2387 A/m bir manyetik alan uygulandığında manyetikleşme ve indüktansı (manyetik akı yoğunluğu, B) hesaplayınız? Örnek 2: Fe-%80 Ni alaşımının max relatif geçirgenliğe sahip olması için manyetik akı yoğunluğu 0.35 T uygulanıyor. Alaşım 20 sarımlı 20 mm uzunluğunda bir bobine yerleştiriliyor. İletken içinden geçmesi gereken akımı hesaplayınız? (Cevap: A)