Bölüm 7 Manyetik Alan ve Manyetik Kuvvet
Hedef Öğretiler Manyetik Kuvvet Manyetik Alan ve Manyetik Akı Manyetik Alanda Yüklerin hareketi Yarıiletkenlerde Manyetik Kuvvet hesabı Manyetik Tork Elektrik Motor Prensibleri Hall etkisi
Giriş Elektromanyetik kuvvet elektrik yüklü bir parçacığın manyetik alandan geçerken üzerine etki eden kuvvettir. Bir manyetik alan, bir sarmalın sarımlarında dolaşan elektron örneğinde olduğu gibi, elektrik yüklü parçacıklar hareket ettiğinde ortaya çıkar. Elektromanyetik kuvvet ise elektrik kuvveti ve manyetik kuvvet birbirleri ile ilişkilidir. James Clerk Maxwell, 1873'te elektrik ve manye tik kuvvet alanlarının uyduğu eksiksiz denklemleri bulmayı başardı ve böylece günümüzde elektromanyetizma den ilen kuralı elde etmiş oldu.
Giriş Elektromanyetik kuvvetin temel parçacıklara etki ederken gösterdiği özellikler şu şekilde sıralanabilir. Kuvvet, elektrik yükü üzerine evrensel bir şekilde etkir. Kuvvet, çok büyük bir menzile sahiptir (manyetik alanın yıldızlarası etkisi vardır). Kuvvet oldukça zayıftır. Kuvvetin şiddeti, elektron yükünün karesinin 2hc (2 x Planck sabiti x ışık hızı)'na bölümüne eşittir. Bu oran yaklaşık 1/137,036 dır. Bu kuvvetin taşıyıcısı, durgun kütlesi sıfır, spini 1 olan ve foton denilen bir parçacıktır. Fotonun kendisinin elektrik yükü yoktur.
Manyetizma Mıknatıslık (manyetizm): fizik (doğabili m) alanı mıknatısın özelliğini kaybetmesi ancak etki,sürtünme,çarpma ve elektrikle olur. Mıknatıslık etkisi, malzemelerde iki karşılıklı uçta toplanır. Bu iki uca mıknatısın kuzey ve güney kutubu ismi verilir. İki mıknatısın eş kutupları birbirini iterken, zıt kutupları birbirini çeker..
Manyetizma ve metaller Mıknatıslar, ferromanyetik yani bağıl manyetiklik geçirgenlikleri 1 den büyük olan maddelere etki etmektedirler. 25 C de demir, nikel ve kobalt ferromanyetiktir. Demir (Fe), nikel (Ni) ve kobalt (Co) elementleri ile alaşım yapıldığı takdirde çoğu zaman ferromanyetizma özelliklerini korurlar.
Dünya'nın manyetik alanı Dünya'nın bir manyetik alanı vardır. Bu alan, kabaca kuzey-güney doğrultusundadır. Ancak manyetik kutup coğrafi kutuptan farklıdır. Her şeyden önce kuzey coğrafi kutup dolaylarında yer alan kutup manyetizma açısından kuzey değil, güney kutuptur. Aynı şekilde güney coğrafi kutup dolaylarında yer alan manyetik kutup da manyetizma açısından kuzey kutuptur. Ne var ki, bu durum pusula kullanımında bir sorun yaratmaz. Ayrıca manyetik kutuplar her yıl birkaç kilometre yer değiştirir. 20. yüzyıl boyunca manyetik kutupların toplam olarak 1100 km yer değiştirdiği saptanmıştır. 2001 yılı verilerine göre, kuzey yarıküredeki manyetik kutup 81.3 kuzey ve 114.4 batı koordinatlarındadır. 1998 verilerine göre de güney yarıküredeki manyetik kutup 64.6 güney ve 138.5 doğu koordinatlarındadır.
Manyetik kutuplar? Elektriksel anlamda tek kutupluluk vardır. (+) ve ( ) kutuplar tek başlarına bir yerde bulunabilir ve bu iki kutup arasında alan çizgileri çizilebilir. Manyetizmada tek kutupluluk yoktur.
Elektrik akımı ve manyetizma 21 Nisan 1820 tarihinde bir akşam, Hans Christian Ørsted ders için hazırlarken, şaşırtıcı bir duruma tanık oldu. Malzemelerini hazırladığı sırada, kullandığı pildeki elektrik akımı açık ve kapalı iken pusula iğnesinin manyetik kuzeyden saptığını fark etti. Bu sapma, onu şuna ikna etti: Manyetik alan çizgileri, tıpkı ışık ve ısıda olduğu gibi, elektrik akım taşıyan bir telin her tarafından yayılıyordu. Bu durum da, elektrik ve manyetizma arasındaki doğrudan ilişkiyi teyit ediyordu. Keşif sürecinde, Ørsted, olgunun herhangi bir tatmin edici açıklamasını yapmadı, onu matematiğe dökmeye de çalışmadı. Ancak, üç ay sonra daha yoğun araştırmalara başladı. Bundan kısa süre sonra da, bir teldeki elektrik akımının bir manyetik alan ürettiğini kanıtlayan bulgularını yayınladı. Onun elektromanyetizma konusuna yaptığı katkılardan dolayı, manyetik indüksiyon, CGS birimine göre (oersted) olarak isimlendirilmiştir.
Elektrik Akımı ve Manyetizma Elektrik yükleri, aralarındaki uzaklığın karesi ile ters orantılı bir güç ile birbirlerini çekerler ya da iterler: Zıt yükler birbirini çeker, aynı yükler birbirini iter. Benzer şekilde, manyetik kutuplar (ayrı noktalardaki kutuplaşmalar) birbirlerini çeker ya da iterler ve her zaman çift olarak ortaya çıkarlar: Her kuzey kutbu, manyetik alan çizgileriyle bir güney kutbuna bağlanmıştır. Bir tel içerisindeki elektrik akımı, tel etrafında, yönü akıma bağlı olan (saat yönünde veya saat yönünün tersine), dairesel bir manyetik alan oluşturur. Telin içinde, manyetik alana doğru veya manyetik alandan doğru hareket eden, döngü halindeki bir akım indüklenir. Benzer olarak bir mıknatıs, manyetik alana doğru veya manyetik alandan doğru hareket ettirildiğinde, akımın yönü bu harekete bağlı olarak değişir.
The interaction of magnetic force and charge The moving charge interacts with the fixed magnet. The force between them is at a maximum when the velocity of the charge is perpendicular to the magnetic field.
Sağ El Kuralı I Düzgün telde geçen akımın yönü biliniyorsa manyetik alanın yönü bulunabilir. Sağ elin baş parmağı akımın yönü olarak seçildiğinde diğer dört parmak bu baş parmağın etrafında kıvrılır. Elde edilen çevrimsel yön manyetik alanın yönüdür.
Sağ El Kuralı II Zıt işaretli özdeş iki yük aynı doğrultuda manyetik alan içinde hareket etmektedir. Bu yüklere etki eden manyetik kuvvet zıt yöndedir.
Manyetik Kuvvet
Manyetik Alan çizgileri Manyetik alan çizgileri N kutuptan S kutuba doğrudur.
Manyetik Alan çizgileri Manyetik Kuvvet çizgileri değildir.
Yüzey boyunca Manyetik Akı
Yüklü parçacıkların Manyetik Alanda Hareketi
Yüklü parçacıklar düzgün olmayan Manyetik Alanda
Kütle spektrometresi Manyetik alan kullanarak iyonları saptırma.. Manyetik alana giren ilk hiza sahip yüklü bir cismin üzerine bir kuvvet etki eder. Bu kuvvet sayesinde farklı kütleye sahip moleküller farklı miktarlarda saparlar. Bu metoda manyetik sektör Kütle spektrometresi denir...
Akım taşıyan iletkende Manyetik Kuvvet Manyetik Kuvvet daima iletkene ve Manyetik Alana diktir.
Akım taşıyan iletkende Manyetik Kuvvet
Akım ilmeğinde Kuvvet ve Tork
Hall Olayı