7.DENEY RAPORU AKIM GEÇEN TELE ETKİYEN MANYETİK KUVVETLERİN ÖLÇÜMÜ Arş. Gör. Ahmet POLATOĞLU Fizik II-Elektrik Laboratuvarı 9 Mart 2018
DENEY RAPORU DENEYİN ADI: Akım Geçen Tele Etkiyen Manyetik Kuvvetlerin Ölçümü DENEYİN AMACI: Düzgün ve statik bir manyetik alanda (B) içerisinden elektrik akımı (I) geçen bir telde oluşan Manyetik Kuvvet in (F) gözlemlenmesi. Bu kuvvetin akım geçen tel uzunluğu (l), akım değişimiyle ve manyetik alan-akım arasındaki açı ile değişimini incelemek. 1.Deneyle İlgili Tanımlar Akım: Bir iletken üzerinden birim zamanda geçen elektron sayısını gösterir. Birimi Amper'dir (kısaltması A) ve genelde I ile ifade edilir. Manyetik alan: Bir mıknatısın manyetik özelliklerini gösterebildiği alandır. Mıknatısın çevresinde oluşan çizgilere de, mıknatısın o bölgede oluşturduğu manyetik alan çizgileri denir. Manyetik alan çizgilerinin yönü N den S e doğrudur. B sembolü ile gösterilir. Ampermetre: Akımı ölçen alettir. Sağ El Kuralı: Sağ el kuralı generatörler için uygulanır. Manyetik alan içerisine yerleştirilen bir iletkene kuvvet uygulayarak hareket ettirildiğinde iletkenden akım akar. Flemeng in sağ el kuralına göre yine baş parmak, işaret parmağı ve orta parmak birbirleri ile doksan derece yapacak şekilde resimdeki gibi tutulduğunda, işaret parmağı manyetik alan yönünü gösteriyorsa, baş parmak iletkene uygulanan kuvvet ve hareket yönünü, orta parmak ise akım yönünü gösterir. Bu yön parmakları kesin kural değildir. Bu üç büyüklüğün bir birine dik olduğunu anlamak ve işi kolaylaştırmak için gösterilmiştir. Lorentz Yasası: Elektrik ve Manyetik Alan ikisi birden Lorentz yasası ile açıklanmaktadır. Formül şöyledir: F = qe + qv xb Burada qe Elektrik Kuvveti ve qvxb ise Manyetik Kuvveti ifade eder. Manyetik Alan Elde Etme Yolları: Manyetik alan akım geçen bir telin etrafında mıknatıs yerleştirilerek oluşur. Biot-Savart Yasası: Bu yasayı kullanarak içerisinden akım geçen bir telin etrafında herhangi bir noktada oluşturduğu manyetik alanı hesaplayabiliriz. İntegralden arınmış şekli şöyledir: F = B Ilsin SAYFA 1
Ampere Yasası: Herhangi bir kapalı yol/halka üzerinde alınan B dl B dl integrali, bu kapalı yolun sınırlandırdığı alandan geçen toplam akım ile μ değerinin çarpımına eşittir: B dl =μi Burada integral işaretindeki halka integralin kapalı bir halka üzerinde alındığını gösterir. Not: Biot-Savart yasası bizlere elektrik akımının oluşturduğunu doğrudan hesaplama fırsatı sunar. Ancak kablolar/teller iki ve üç boyutlu olduklarında çözülmesi gereken integraller oldukça karmaşık haller alabilirler. Eğer sistemde bir simetri yok ise, maalesef bu integrallerin çözülmesi gerekecektir. Ancak simetrik durumlarda manyetik alan hesabı Ampère Yasasını kullanarak kolayca yapılabilir. 2. Deneyin Yapılışı ve Hesaplamalar Dijital terazinin üzerine akım devresi yerleştirildi. Akım devresinin altına da manyetik alan oluşturulması için mıknatıs yerleştirildi. Mıknatıs akım devresine temas etmeyecek şeklide konuldu. Daha sonra akım kaynağından devreye farklı değerlerde akım verilerek terazide oluşan manyetik kuvvet değerleri gram cinsinden ölçülerek tablolara kaydedildi. Daha sonra sabit bir akım değeri verilerek tel uzunluğunun değişimi ile manyetik kuvvetin değişimi incelendi. Son olarak da mıknatısın üzerine döner bobin seti yerleştirilerek açının manyetik kuvvet ile değişimi gözlemlendi. Deney verileri, grafikleri ve yorumlar aşağıdaki gibidir. 1. Manyetik Kuvvetin Akımla Değişmesi I (Amper) m (gr) Kuvvet (N) 0,44 0,27 0,0027 0,80 0,57 0,0057 1,13 0,87 0,0087 1,35 1,03 0,0103 1,44 1,09 0,0109 Kuvveti hesaplarken F=mg formülü kullanıldı. g değeri 10 olarak alınmıştır. Kuvvet- Akım grafiği aşağıda çizilmiştir. Diğer değerler sabit iken akımın artmasıyla kuvvet de orantılı bir şeklide arttığı görülmüştür. SAYFA 2
Kuvvet (N) Kuvvet (N) 0.012 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Akım (Amper) 2. Manyetik Kuvvetin Tel Uzunluğuyla Değişmesi I (cm) m (gr) Kuvvet (N) 1 0,62 0,0062 2 1,2 0,012 3 1,8 0,018 4 2,41 0,0241 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 0 1 2 3 4 5 Akım (Amper) Grafikten de görüldüğü üzere tel uzunluğu oluşan manyetik alan ile doğru orantılıdır. SAYFA 3
Açı (Derece) 2. Manyetik Kuvvetin Tel Uzunluğuyla Değişmesi Ø ( ) m (gr) Kuvvet (N) 0 0 0 30 1,82 0,0122 60 2,36 0,0236 90 2,80 0,0280 120 2,34 0,0234 150 1,79 0,0139 180 0 0 0.03 0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 0 50 100 150 200 Akım (Amper) Grafikten de görüldüğü üzere manyetik alan ile akım arasındaki açı sıfır iken manyetik kuvvet sıfırdır. Açı 90 derece olunca kuvvet maksimum olurken açı 180 dereceye doğru gidince kuvvet azalır. Bir sinüs grafiği ortaya çıkar. 2. Sorular ve Cevaplar 1. Mekanik enerjiden elektrik enerjisi nasıl oluşur? Hareket eden bir cisim enerjiye sahip olur. Bu enerjiye kinetik enerji denir. Duran cismin durgun enerjisine ise potansiyel enerji denir. Cismin sahip olduğu kinetik ve potansiyel enerjinin tümüne mekanik enerji denir. Jeneratörler mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren sistemlerdir. Dönen türbin jeneratörü döndürür. Jeneratördeki bobinler çevresinde bulunan mıknatıslarla manyetik alan ve akım meydana getirir. SAYFA 4
2. Mıknatısların neden çift kutba sahip olduğunu Maxwell in 2. denkleminden yola çıkarak açıklayınız. Maxwell in 2.denklemi manyetik alan için Gauss yasasıdır. Kapalı bir sistemde manyetik alan akısının sıfır olduğunu ve dolayısıyla manyetik yüklerin var olmadığını/nötrlendiğini ifade eder. BdA = 0 3. Manyetizmanın kullanıldığı yerlere örnek veriniz. Manyetizma, hareket eden yüklerin birbirlerine tatbik etmiş oldukları kuvvetleri inceler. Şu alanlarda kullanılırlar: Pusulalar, radyo ve TV gibi elektronik sistemlerde, mikrofon ve hoparlörlerde, kil ve cam kumu temizleyip ayıklama işlemlerinde SAYFA 5