T.C. TÜBİTAK-BİDEB YİBO ÖĞRETMENLERİ (FEN VE TEKNOLOJİ-FİZİK, KİMYA, BİYOLOJİ- ve MATEMATİK) PROJE DANIŞMANLIĞI EĞİTİM ÇALIŞTAYLARI İKİ ELEKTROMIKNATIS ARASINDA BULUNAN BİR DEMİR PARÇACIĞIN HAREKETİ HAZIRLAYANLAR Ahmet Sonay Zahir Geylan Kasım Saylan DANIŞMANLAR Prof. Dr. Naci İnci Prof. Dr. Bilal Güneş Çalıştay 009- TÜSSİDE- Gebze
İKİ ELEKTROMIKNATIS ARASINDA BULUNAN BİR DEMİR PARÇACIĞIN HAREKETİ Ahmet Sonay, Zahir Geylan ve Kasım Saylan Cumhuriyet YİBO, Gölbaşı Mahallesi, 900 Sivrice, Elazığ Ahlat YİBO, Ergezer Mahallesi, 400 Ahlat, Bitlis Salihiye Kız YİBO, Salihiye Mahallesi, 65400 Erciş, Van Özet Bu projenin amacı, iki elektromıknatıs arasında bulunan demir parçacıklarının manyetik kuvvetlerin etkisiyle nasıl hareket ettiklerini incelemektir. Manyetik bir alan içinde demir bir parçacığa uygulanan manyetik kuvvetin etkileri gözlemlendi ve alınan veriler tablo haline getirilerek yorumlandı. Bunun sonucunda manyetik alanda uygulanan kuvvetin akıma bağlı olarak arttığı, sarım sayısına bağlı olarak ise belirli bir farklılık göstermediği gözlendi.. Giriş Bir noktadaki E elektrik alanını, bu noktada hareketsiz olarak bulunan bir test yükü koyarak ve yüke etki eden elektriksel kuvvet F e i ölçerek belirlenir: E = F e / q Eğer manyetik tek kutup olsaydı, B de benzer şekilde tanımlanabilirdi. Böyle parçacıklar olmadığından, B, elektriksel olarak yüklü hareket eden parçacıklara etki eden manyetik kuvvet cinsinden tanımlanabilir: F B = q v x B () F B, Lorentz kuvveti olup, bu bağıntı, bir manyetik alan içerisinde hareket eden çeşitli yüklü parçacıkların hareketleri ile ilgili deneyler sonucunda elde edilmiştir. Bu deneylerin sonuçları, bir anlamda, bir B manyetik alanında hareket eden yüklü bir parçacığa etkiyen manyetik kuvvetin (Eşitlik ) özellikleri şöyle sıralanabilir : ) Parçacığa etki eden manyetik kuvvetin büyüklüğü F B, parçacığın yükü ile orantılıdır. ) F B manyetik kuvvetin yönü ve büyüklüğü, parçacığın hızına ve B manyetik alanının büyüklüğü ve yönüne bağlıdır. ) Yüklü bir parçacık manyetik alan vektörüne paralel hareket ettiği zaman ona etkiyen manyetik kuvvet sıfırdır. 4) F B manyetik kuvveti, v ve B nin bulunduğu düzleme diktir. 5) Pozitif bir yüke etki eden manyetik kuvvet, aynı yönde hareket eden bir negatif yüke etkiyen kuvvetin yönüne zıttır. 6) Eğer parçacığın hız vektörü, manyetik alan ile ɸ açısı yaparsa, parçacığa etki eden manyetik kuvvetin büyüklüğü sinɸ ile orantılıdır.
Eşitlik deki v x B vektörel çarpımının sonucu v ve B ye dik olan bir vektördür. Şekil de gösterilen sağ el kuralı, sağ elin dört parmağı avuç içi B ye bakacak şekilde v nin yönünde yöneltilirse ve B ye doğru bükülürse, diğer parmaklara dik olarak açılan başparmak v x B nin yönünü gösterir. Eğer ɸ pozitif ise F B, v x B nin yönünde, negatif ise v x B ile ters yönlüdür. F B nin v ye paralel bileşeni yoktur; yani F B parçacığın hızını değiştiremez ve bu nedenle parçacığın kinetik enerjisini de değiştiremez. Manyetik kuvvet yalnızca v nin doğrultusunu değiştirebilir. Manyetik kuvvetin büyüklüğü ; F B = q vbsin ɸ olarak yazılabilir. Eşitlik den manyetik alanın birimi; T = N / C.m/s = N / A.m Tesla (T) dır. CGS birim sisteminde ise manyetik alan birimi Gauss (G) dur. T = 0 4 G Tablo da bazı durumlardaki manyetik alanlar verilmiştir. MANYETİK ALAN BÜYÜKLÜKLERİNE ÖRNEKLER (YAKLAŞIK DEĞERLER) Manyetik Alan Kaynağı Kuvvetli bir elektromıknatıs Alan Büyüklüğü (T) T Süperiletken mıknatıs Tıpta kullanılan MR Çubuk mıknatıs Güneşin Yüzeyi Dünyanın yüzeyi 0 T,5 T 0 - T 0 - T 0-4 T İnsan beyninin içi (sinir atımlarından kaynaklanan) 0 - T
Elektrik yüklü parçacıklar örneğin bir teldeki elektronlar manyetik alan oluşmasına sebep olurlar. Bir telden elektrik akımı geçiyorsa etrafında manyetik bir alan oluşturur. İşte elektromıknatıslar bu temel kurala dayanırlar. Bu temel prensip kullanılarak motor, selenoid, harddiskler için okuma yazma kafası, hoparlör ve daha birçok şey yapılmaktadır. Mıknatıslarda N ve S olmak üzere iki kutup vardır. Farklı kutuplar birbirini çeker, aynı kutuplar ise birbirini iterler. Elektromıknatıslarda aynı özellikleri gösterirler ancak sadece üzerlerinden elektrik akımı geçtiğinde mıknatıs özelliği göstermektedirler. Bir elektromıknatısın çalışması için en temel olarak bir güç kaynağı ve bir bobine ihtiyaç vardır. Manyetik Alan elektrik taşıyan her kablo üzerinde manyetik alan oluşmaktadır. Alan telden uzaklaştıkça zayıflar. Manyetik alanın tele dik olduğu ve yönünün elektrik akımının akış yönüne bağlıdır. Elektromıknatıslar, genellikle ağır demirleri kaldırırken elektromıknatıslı vinçler tarafından kullanılır. Ayrıca ziller, elektrik motorları, uzaktan kumanda düzenekleri, alarmlar ve telgraflarda da kullanılır.. Yöntem Bir elektromıknatıs yapımı için 600 sarımlık bir bobin içine iki demir çubuk yerleştirildi. Bobin 6 voltluk bir güç kaynağına bağlandı. Güç kaynağı çalıştırıldı ve elektromıknatısa gerilim uygulandı. Şekil de görüldüğü gibi, bir demir parçası yatay düzlemde elektromıknatısın etki alanını belirlemek için bu alana yerleştirildi. Güç kaynağı çeşitli gerilimlerde çalıştırılarak akım ile uzaklık arasında bağıntı bulundu. Şekil. Bulgular ve Tartışma Deneyimizin güvenilir sonuç vermesi için zeminin mümkün olduğu kadar eğimsiz, yatay, düzgün ve pürüzsüz olması sağlandı. Elektromıknatısların özdeş olması sağlandı. 4
Deney aynı ortamlarda ve şartlarda uygulandı. Elektromıknatısın uyguladığı kuvvetin gerilim, akım şiddeti ve demir parçacığın uzaklığına bağlı olduğuna dair aşağıdaki veriler elde edildi. 600 sarımlık bobin kullanıldığında elde edilen veriler GERİLİM (volt) AKIM ŞİDDETİ (Amper) UZAKLIK (m).5 0,5,8.0 -, 4,4.0-6, 6. 0-4 8,9. 0 - uzaklık 0 9 8 7 6 5 4 0 0,5,, 4 akım şiddeti Seri Bu işlemi 00 sarımlık bobin kullanarak tekrar yaptığımızda şu veriler elde edildi. GERİLİM(volt) AKIM ŞİDDETİ (amper) UZAKLIK(m) 0,.0-6 0,6 4.0 -, 6,5.0-5
Her iki elektromıknatısın uzaklık-akım ilişkisini gösteren grafik çizildi. 7 6 uzaklık(cm) 5 4 0 0, 0,6, akım şiddeti(amper) Seri Özdeş iki elektromıknatıs yatay düzlemde karşı karşıya kuruldu ve aradaki uzaklık 7 cm olarak ölçüldü. İki elektromıknatısın arasına demir bilye konuldu. Demir bilye her iki elektromıknatısın tam ortasında iken dengede kaldı. (Şekil ) Şekil Elektromıknatıslardan birini kapattığımızda demir bilye hızla çalışan diğer elektromıknatısa doğru hareket etti (Şekil 4). Bu işlem her iki elektromıknatısa da uygulandı. 6
Şekil 4 Elektromıknatıs düşey olarak sabitlendi. Elektromıknatısın düşey doğrultudaki manyetik kuvvetini demir parçacığın ağırlığı ile dengeleyerek havada sabit kalması denendi. Çok hassas bir denge noktası olduğundan tespit etmek için demir parçası bir iple bağlandı. Denge anında düşey doğrultuda elektromıknatısın akım ve yüksekliğe(düşey uzaklık) bağlı verileri ölçüldü. AKIM ŞİDDETİ (amper) YÜKSEKLİK(cm),7 4,5,5,05,5 0,5,5 Bu verilere dayalı grafik çizildi. h-i grafiği akım şiddeti(amper) 4,5,5,5 0,5 0,5,5,5 4,5 Seri yükseklik(cm) Düşey doğrultuda özdeş iki elektromıknatısı aralarında 5 cm mesafe olacak şekilde sabitlendi. İki elektromıknatısın uyguladığı manyetik kuvvetin etkisiyle demir parçası havada dengede tutulmaya çalışıldı. Çok hassas bir nokta olduğu için demir parçası önce boş bir deney tüpünün içindeyken dengede tutulmaya çalışıldı. Tam denge noktası yakalanamadı. Suyun kaldırma kuvvetinden yararlanmak için deney tüpünün içini suyla doldurup demir parçası suyun ortasında dengede tutulması denendi. Sonra bir ipe bağlayarak demir parçası elektromıknatıslar arasında dengede durması denendi. Elektromıknatıslardan alttaki kapalı tutulduğunda demir parçası ip yardımıyla havada dengede tutuldu. 4. Sonuç Elektromıknatısların manyetik alan kuvveti, elektromıknatıstan geçen akım şiddetinin büyüklüğüne bağlı olarak artar. İki elektromıknatıs arasındaki demir parçasına etki eden kuvvetler birbirine eşit ve zıt yönlü olduğunda demir parçası dengede kalır. 7
Teşekkür Çalıştay koordinatörü Prof. Dr. Mehmet Ay a danışmanlarımız Prof. Dr. Naci İnci ye Prof. Dr. Bilal Güneş e ve tüm çalıştay ekibine teşekkür ederiz. KAYNAKLAR http:// www.fizik.us/genel-fizik/manyetik-alan.html (.06.009) Physics for Scientists and Engineers, 7th Ed., by R A Jewett and J W Serway http://tr.wikipedia.org/wiki/elektrom%c4%bknat%c4%bs (.06.009) 8