Manyetik Alanlar
Manyetik Alanlar Duran ya da hareket eden yüklü parçacığın etrafını bir elektrik alanın sardığı biliyoruz. Hatta elektrik alan konusunda şu sonuç oraya konulmuştur. Durgun bir deneme yükü uzayın herhangi bir noktasına konulduğunda, söz konusu bu yük elektrik kuvveti etkisinde kalırsa, o noktada bir elektrik alanı vardır denir Benzer bir durum hareketli yükler içinde geçerli olup bu yüklerin etrafını elektrik alana ek olarak bir manyetik alan sarmaktadır.
Genellikle manyetik alan B harfiyle temsil edilmekte olup en çok bilinen manyetik alan kaynağı mıknatıslardır. Şekilde görüldüğü gibi mıknatısın dışındaki manyetik alan çizgileri kuzey kutbundan dışa doğru, güney kutbunda ise içe doğru yönelmektedir. Yani mıknatısın kuzey kutbundan ayrılan manyetik alan çizgileri mıknatısın güney kutbuna varmaktadır.
Şekilde ise bir çubuk mıknatısın manyetik alan deseni, küçük demir tozları kullanarak görünür hale getirilmiştir.
Uzayın herhangi bir noktasında duran deneme yüküne bir elektrik kuvveti etkiyorsa bu noktadaki elektrik alanı vektörü E = F e /q 0 ile tanımlanmaktaydı. Benzer şekilde eğer deneme yükü v hızıyla hareket ediyorsa; B manyetik alanı tarafından bu hareketli yüke F B ile ifade edilen bir manyetik kuvveti etki etmektedir. Bir manyetik alan içerisinde hareket eden çeşitli yüklü parçacıkların hareketleriyle ilgili deneyler yapıldığında şu sonuçlara varılmaktadır. 1. Parçacığa etki eden manyetik kuvvetin büyüklüğü F B, parçacığın v hızıyla ve q yüküyle doğru orantılıdır.
2. F B manyetik kuvvetinin büyüklüğü ve yönü, parçacığın hızına (v) ve B manyetik alanın büyüklüğü ve yönüne bağlıdır. 3. Yüklü bir parçacık manyetik alan vektörüne paralel yönde hareket ettiği zaman ona etkiyen manyetik kuvvet sıfırdır. 4. Parçacığın hız vektörü manyetik alanla bir θ 0 açısı yaptığı zaman, manyetik kuvvet hem v, hem de B ye dik yönde etki eder. Yani şekilde gçsterildiği gibi F B, v ve B nin oluşturduğu düzleme diktir.
5. Şekilde gösterildiği gibi bir pozitif yüke etkiyen manyetik kuvvet, aynı yönde hareket eden bir negatif yüke etkiyen kuvvetin yönüne terstir.
6. Eğer parçacığın hız vektörü B nin yönü le bir θ açısı yaparsa, parçacığa etkiyen manyetik kuvvetin büyüklüğü sin θ ile orantılıdır. Elde edilen bu deneysel sonuçlara göre manyetik kuvvet aşağıdaki formülle tanımlanabilir.
Bu durumda manyetik kuvvetin yönü v B nin yönünde olup belirli bir yönde hareket eden bir yüklü parçacığa etki eden kuvvetin yönü sağ el kuralıyla bulunur. Sağ el kuralı; sağ elinizin dört parmağını v yönünde ve avuç içinizde B yönünde olacak şekilde doğrultun. Daha sonra bu dört parmağı manyetik alan vektörünün doğrultusuna doğru bükün. Bu durumda bu dört parmağa dik olarak açılan başparmağın yönü, v B nin yönünü yani manyetik kuvvetin yönünü gösterecektir.
Eğer yük negatif ise manyetik kuvvetin yönü pozitif yüke etkiyen kuvvetin tam tersi yönünde olacaktır. Manyetik kuvvetin yönü belirlendikten sonra bu kuvvetin büyüklüğü aşağıdaki bağıntıyla hesaplanabilir.
SAĞ EL KURALI ÖRNEKLERİ B x x x x x x x x x x x x v x x x x x x q F B v q F B v q F = 0
Manyetik alanın birimi tesla (T) olup, 1 tesla aşağıda yazılı ifadelerle tanımlanabilir. Amper; A= coulomb/saniye
Örnek Manyetik alanda hareket eden bir elektrona etki eden kuvvet Bir televizyonun resim tüpündeki bir elektron x ekseni boyunca 8,0 10 6 m/s lik bir süratle tüpün önüne (yani ekranına doğru) hareket etmektedir. Tüp içerisindeki manyetik alanın büyüklüğü 0,025 T değerindedir. Manyetik alan vektörü xy ekseni üzerinde olup x ekseniyle 60 yapmaktadır. Bu durumda elektrona etkiyen manyetik kuvveti ve ivmesini hesaplayınız.
Elektrona etki eden manyetik kuvvetin büyüklüğü; v B nin yönü pozitif z ekseni yönünde olup hareketli yük negatif olduğundan kuvvetin yönü eksi z yönündedir. Kuvvet bilindiğinden elektronun ivmesi;
Vektörel Analizle Çözüm elektronun yükü; q = 1,6 10 19 Hız vektörü; v = 8 10 6 x Manyetik Alan Vektörünün Bileşenleri sin 60 cos 60 = B y B B y = 0,0216 = B x B B x = 0,0125 B = 0,0125x + 0,0216y
Vektörel Çarpımlar; x y = z y z = x z x = y F B = qv B = 1,6 10 19. { 8 10 6 x 0,0125x + 0,0216y } F B = 0,28 10 3 z = 2,8 10 4 z
AKIM TAŞIYAN BİR İLETKENE ETKİYEN MANYETİK KUVVET Akım taşıyan bir telde hareket halinde çok sayıda yüklü parçacık bulunmaktadır. Akım taşıyan tel bir manyetik alan içine konulduğunda tele etkiyen net manyetik kuvvet, akımı oluşturan tüm yüklü parçacıklara etkiyen bireysel kuvvetlerin vektörel toplamıyla hesaplanabilir.
Şekilde B manyetik alanı içerisine yerleştirilmiş I kadar akım taşıyan bir iletken parçası gösterilmiştir. Bu iletken parçanın kesit alanı A ve uzunluğu ise L dir. İletken içerisinde v d hızıyla sürüklenen bir q yüküne etkiyen manyetik kuvvet qv d B bağıntısıyla hesaplanabilir. Tele etkiyen toplam manyetik kuvveti belirleyebilmek için tel parçasında bulunan yük sayısının belirlenmesi gerekmektedir.
L uzunluğundaki iletken elemanının hacmi AL dir. Şayet n; birim hacim başına düşen hareketli yük taşıyıcılarının sayısını gösterirse, bu hacim elemanındaki hareketli yük taşıyıcılarının sayısı nal kadardır. Dolayısıyla uzunluğu L olan bir tele etkiyen toplam manyetik alan kuvveti aşağıdaki gibi ifade edilir.
Akım ve direnç konusunda bahsedildiği üzere L uzunluğundaki telden akan ortalama akım aşağıdaki gibi ifade edildiğinden; uzunluğu L olan bir tele etkiyen toplam manyetik alan daha kullanışlı bir biçimde aşağıdaki gibi yazılabilir.
Burada ifade edilen L vektörü, I akımının yönünde olan bir vektör olup büyüklüğü iletken parçanın uzunluğuna eşittir (L). Yandaki şekilde manyetik alan vektörü sayfadan içeri doğruyken akımın yönü aşağıdan yukarıya doğrudur (Manyetik alan iletkene diktir). Bu durumda sağ el kuralına göre manyetik kuvvet sola doğrudur.
Eğer manyetik alan vektörü tele dik değilse ve onunla bir açısı yapıyorsa bu durumda tel parçasına etki eden manyetik kuvvetin büyüklüğü aşağıdaki gibi hesaplanır. Elde edilen bu sonuçlar manyetik alan içerisinde bulunan yalnızca doğrusal bir tel parçası için geçerlidir. Şimdi ise düzgün bir manyetik alan içinde bulunan fakat keyfi biçimli bir iletken tele etkiyen manyetik kuvveti inceleyelim.
Şekilde düzgün bir manyetik alan içinde keyfi biçimli olan ve akım taşıyan bir iletken gösterilmiştir. İletken içindeki çok küçük bir ds parçasına etkiyen manyetik kuvvet aşağıdaki gibi hesaplanabilir. Şekildeki ds parçasına etkiyen manyetik kuvvetin (df B ) yönü sayfa düzleminden dışa doğrudur. Ancak her farklı ds parçası için kuvvetin büyüklüğü değişebilir. Örneğin manyetik alan vektörü ile ds parçasının paralel olduğu konumlarda kuvvet sıfırdır.
Şekilde gösterilen tele etkiyen toplam F B kuvvetini elde etmek için çizgisel integral işleminden yararlanılır. Bu ifadede, a ve b terimleri telin uç noktalarını temsil etmektedir.
Özel Durumlar: 1. Şekilde gösterilen düzgün bir B manyetik alan içinde I akımı taşıyan eğrisel bir tel göz önüne alalım. Manyetik alan düzgün ve sabit olduğundan aşağıda ifade edildiği gibi integral dışına çıkabilir. b İfadede tanımlanan ds a niceliği a dan b ye kadar olan tüm yer değişim elemanlarının vektörel toplamını temsil eder.
Bu durumda vektörel toplamlar ile ilgili kurallar gereği integral işleminin sonucu şekilde gösterilen L vektörüne eşittir. Bu nedenle tele etkiyen toplam manyetik kuvvet aşağıdaki gibi ifade edilir.
2. Bu kez I akımı taşıyan keyfi biçimli kapalı bir ilmek göz önüne alalım. Aynı şekilde manyetik alan düzgün olduğundan integral dışına alabilir ve integral ifadesi bu kez kapalı bir yol üzerinden alınan çizgisel integraldir. Uzunluk elemanlarının vektörel toplamı kapalı bir ilmek oluşturduğu için vektörlerin toplamı sıfırdır. Buna göre düzgün bir manyetik alan içerisindeki herhangi bir kapalı akım ilmeğine etkiyen net manyetik kuvvet sıfırdır denir.
Örnek: Yarıçapı R olan yarım çember biçiminde bükülmüş bir tel, kapalı bir devre oluşturuyor. Tel, I akımı taşımaktadır. Devre, şekilde gösterildiği gibi xy düzleminde olup ortamdaki düzgün manyetik alan y ekseni doğrultusundadır. Telin doğru ve eğri parçalarına etkiyen manyetik kuvvetlerin büyüklüğünü ve yönünü bulunuz.
Telin doğru parçasına etkiyen kuvvet; a b ds = Lx = 2Rx B = By F 1 = I { 2Rx By } = 2IRBz
Eğrisel parçaya etkiyen kuvvet; ds yer değiştirme vektörünün bileşenleri; ds x = ds sin (θ)x ds y = ds cos (θ)y ds uzunluk elemanına etkiyen df 2 kuvveti; df 2 = I ds sin θ x + ds cos θ y B y = I ds sin θ B z
df 2 = I ds sin θ x + ds cos θ y B y = I ds sin θ B z Dolayısıyla; eğrisel parçada etki eden manyetik kuvvet eski z eksenindedir. ds parçasının boyu ds = R dθ olduğundan parçacığa etkiyen df 2 kuvvetinin büyüklüğü aşağıdaki gibi elde edilir.
Eğrisel parçacığa etkiyen kuvveti hesaplamak için elde edilen sonucun integrali alınır. Doğrusal tele etkiyen kuvvet F 1 = 2IRB olup sayfa düzleminin dışına doğru iken (+z) eğrisel tele etkiyen kuvvet F 2 = 2IRB olup sayfa düzleminin dışına doğrudur (-z). Dolasıyla durum 2 de bahsedildiği gibi kapalı bir ilmeğe etkiyen net manyetik kuvvet sıfırdır.