Mıknatıslar ve Manyetizma

Mıknatıslar

Demir, nikel ve kobalt gibi bazı maddeleri çeken cisimlere mıknatıs denir. Doğada bulunan manyetit taşı (Fe₃O₄) bilinen ilk mıknatıstır; adının Anadolu'daki Magnesia (Manisa) bölgesinden geldiği düşünülür. Bir mıknatısın çekme etkisinin en güçlü olduğu uçlarına kutup denir. Serbestçe dönebilen bir çubuk mıknatıs kuzey–güney doğrultusunda durur: kuzeyi gösteren ucuna N (kuzey), güneyi gösteren ucuna S (güney) kutbu denir.

• Aynı adlı kutuplar birbirini iter, zıt adlı kutuplar birbirini çeker.
• Kutuplar arasındaki kuvvet, kutuplar arasındaki uzaklık arttıkça hızla azalır.
• Bir mıknatıs ne kadar küçük parçalara bölünürse bölünsün her parça yine N ve S kutbu olan yeni bir mıknatıs olur. Tek başına N ya da S kutbu (manyetik tek kutup) elde edilemez.

Bir cismin mıknatıs olup olmadığını anlamanın kesin yolu itme gözlemektir. Mıknatıs, mıknatıs olmayan bir demir çubuğu her iki ucundan da çeker; ama başka bir mıknatısın bir ucunu iter. Yani çekme bir şey kanıtlamaz, itme mıknatıslığı kanıtlar.

Manyetik alan ve alan çizgileri

Bir mıknatısın çevresinde, manyetik etkisini gösterdiği bölgeye manyetik alan denir. Manyetik alan vektörel bir büyüklüktür; birimi tesla (T)'dır. Buzdolabı mıknatısının yüzeyinde alan yaklaşık 0,01 T, Dünya yüzeyinde yaklaşık 50 µT (0,000 05 T), bir MR cihazının içinde ise 1,5–3 T'dır.

Manyetik alan, alan çizgileriyle gösterilir. Alan çizgileri, bir pusula iğnesinin N ucunun gösterdiği yönü izler:

• Mıknatısın dışında N kutbundan çıkar, S kutbuna girer; mıknatısın içinde S'den N'ye devam eder. Alan çizgileri kapalı eğrilerdir.
• Alan çizgileri birbirini kesmez.
• Çizgilerin sık olduğu yerde alan güçlüdür; kutupların yakınında çizgiler sıktır.
• Bir noktadaki alanın yönü, o noktadan geçen çizgiye çizilen teğetin yönüdür.

Demir tozları bir kâğıdın üzerine serpilip altına mıknatıs konunca alan çizgilerinin biçimi gözle görülür hâle gelir. İki mıknatısın alanları vektörel olarak toplanır: zıt kutuplar karşı karşıyaysa çizgiler bir mıknatıstan diğerine geçer; aynı kutuplar karşı karşıyaysa çizgiler birbirinden uzaklaşır ve iki kutbun ortasında alanın sıfır olduğu bir nokta oluşur.

Maddelerin manyetik özellikleri

Maddeler bir mıknatısa verdikleri tepkiye göre sınıflandırılır:

Ferromanyetik maddelerin içinde, atomlarının küçük mıknatıslar gibi aynı yöne dizildiği manyetik bölgeler (domainler) vardır. Mıknatıslanmamış bir demirde bu bölgeler gelişigüzel yönelmiştir ve etkileri birbirini götürür. Demir bir mıknatısın alanına konunca bölgeler alan yönünde dizilir ve demir mıknatıslanır. Bu yüzden bir mıknatıs bir demir ataşı çekerken ataş da mıknatıslanır ve başka bir ataşı çekebilir.

Mıknatıslanma yolları:

• Sürtünme: Bir demir çubuk bir mıknatısın aynı kutbuyla hep aynı yönde sürtülürse mıknatıslanır.
• Etki: Mıknatısa yaklaştırılan ya da dokundurulan demir geçici olarak mıknatıslanır.
• Elektrik akımı: Etrafına tel sarılmış demirden akım geçirilirse demir güçlü bir mıknatıs olur.

Yumuşak demir kolay mıknatıslanır ve kolay mıknatıslığını kaybeder (geçici mıknatıs); çelik zor mıknatıslanır ama mıknatıslığını uzun süre korur (kalıcı mıknatıs). Bir mıknatıs ısıtılırsa ya da sert darbelere maruz kalırsa domainler yeniden gelişigüzel yönelir ve mıknatıslık bozulur. Her ferromanyetik maddenin, üzerinde mıknatıslığını tamamen kaybettiği bir Curie sıcaklığı vardır; demir için yaklaşık 770 °C'dir.

Pusulanın kısa tarihi

Mıknatıs taşının kuzey–güney doğrultusunda durduğu en az iki bin yıldır biliniyor. Çinliler bu özelliği önce fal ve mimari yönlendirme için kullandı; 11. yüzyıldan itibaren mıknatıslanmış bir iğneyi suda yüzdüren ya da ince bir ipe asan ilk denizci pusulaları ortaya çıktı. Pusula Akdeniz'de 12.–13. yüzyıllarda yaygınlaştı ve yıldızların görünmediği bulutlu havalarda bile denizde yön bulmayı sağlayarak büyük okyanus yolculuklarının önünü açtı. 1600 yılında İngiliz hekim William Gilbert, küre biçimli bir mıknatısla yaptığı deneylerle Dünya'nın kendisinin büyük bir mıknatıs olduğunu öne sürdü.

Dünya'nın manyetik alanı

Dünya büyük bir mıknatıs gibi davranır. Dünya'nın manyetik alanı, büyük ölçüde dış çekirdekteki erimiş demirin hareketinden kaynaklanır. Pusulanın N ucunun kuzeyi göstermesi, onun Dünya'nın coğrafi kuzeyinin yakınındaki manyetik güney (S) kutbuna çekilmesindendir. Yani coğrafi kuzey kutbunun yakınında Dünya'nın manyetik güney kutbu, coğrafi güney kutbunun yakınında manyetik kuzey kutbu bulunur.

Manyetik kutuplar coğrafi kutuplarla çakışmaz; manyetik eksen dönme eksenine göre eğiktir ve manyetik kutuplar yıldan yıla yavaşça yer değiştirir. Bu yüzden pusulanın gösterdiği yön ile gerçek (coğrafi) kuzey arasında bir açı vardır: sapma açısı. Türkiye'de sapma açısı birkaç derecedir ve haritalarda belirtilir. Pusula iğnesinin yatayla yaptığı açıya ise eğim açısı denir; ekvatorda sıfıra yakın, manyetik kutuplarda 90°'ye yakındır.

Dünya'nın manyetik alanı, Güneş'ten gelen yüklü parçacık akışını (güneş rüzgârını) saptırarak canlıları zararlı ışınımdan korur. Kutuplara yakın bölgelerde bu parçacıkların bir kısmı atmosfere girer ve gaz atomlarını uyararak kutup ışıklarını (aurora) oluşturur. Göçmen kuşlar, deniz kaplumbağaları ve bazı balıklar Dünya'nın manyetik alanını algılayarak yönlerini bulur. Kayaçlarda donup kalmış manyetik izler, Dünya'nın manyetik kutuplarının jeolojik geçmişte birçok kez yer değiştirdiğini göstermiştir.

Manyetik alandan korunma

Elektrik alandan korunmak için iletken bir kafes yeterlidir; manyetik alandan korunmak için ise alan çizgilerini kendi içine toplayan ferromanyetik bir kabuk gerekir. Yumuşak demir ya da özel nikel–demir alaşımlarından yapılmış bir kutu, alan çizgilerine "daha kolay bir yol" sunar: çizgiler kutunun duvarlarından geçer ve içerideki boşlukta alan çok zayıflar. Hassas ölçüm cihazları, eski tüplü televizyonlar ve bazı tıbbi cihazlar bu yolla korunur. Ahşap, plastik, alüminyum ya da bakır bir kutu manyetik alanı neredeyse hiç durdurmaz.

Akımın manyetik alanı

1820'de Danimarkalı fizikçi Hans Christian Ørsted, bir dersi sırasında akım geçen bir telin yanındaki pusula iğnesinin saptığını fark etti. Bu, elektrik ile manyetizmanın birbirine bağlı olduğunun ilk kanıtıydı: hareket eden yükler (akım) manyetik alan oluşturur. Bugün mıknatısların alanının da atomlardaki elektronların hareketinden kaynaklandığını biliyoruz.

Ørsted'in keşfi, mıknatısların neden mıknatıs olduğunu da açıkladı. Atomların içindeki elektronlar hem çekirdek çevresinde dolanır hem de kendi eksenleri etrafında dönüyormuş gibi davranır; her biri küçük bir akım halkası, yani küçük bir mıknatıstır. Çoğu maddede bu küçük mıknatıslar rastgele yönelir ve birbirini götürür. Ferromanyetik maddelerde ise komşu atomların mıknatısları aynı yöne dizilme eğilimindedir ve manyetik bölgeler oluşur. Kalıcı mıknatısın alanı ile bobinin alanının aynı biçimde olması bu yüzden şaşırtıcı değildir: ikisinin kaynağı da hareket eden yüklerdir.

Düz tel: Akım geçen düz bir telin çevresindeki alan çizgileri, teli merkez alan eş merkezli çemberlerdir. Alanın yönü sağ el kuralıyla bulunur: sağ elin başparmağı akım yönünü gösterecek biçimde tel kavranırsa, kıvrılan dört parmak alan çizgilerinin yönünü gösterir. Alanın büyüklüğü akımla doğru, telden uzaklıkla ters orantılıdır:

Sayfa düzleminde çizilen şekillerde, sayfa düzlemine dik alanlar özel işaretlerle gösterilir: ⊙ (nokta) sayfadan dışarı doğru, ⊗ (çarpı) sayfanın içine doğru alanı ya da akımı gösterir. Bu gösterimi bir oka benzetebilirsin: ok sana doğru geliyorsa ucunu (nokta), senden uzaklaşıyorsa tüylerini (çarpı) görürsün.

Halka (çembersel tel): Akım geçen bir halkanın merkezinde alan halka düzlemine diktir; yönü yine sağ el kuralıyla bulunur. Halka küçük bir çubuk mıknatıs gibi davranır: bir yüzü N, öbür yüzü S kutbudur.

Akım makarası (bobin, selenoid): Yalıtılmış bir telin silindir biçiminde çok sayıda sarılmasıyla elde edilir. İçindeki alan düzgün ve güçlüdür; dışarıdaki alanı bir çubuk mıknatısın alanına çok benzer. Sağ elin dört parmağı sarımlardaki akım yönünde kıvrılırsa başparmak bobinin N kutbunu gösterir. Bobinin içindeki alan sarım sayısı ve akımla doğru, bobinin boyuyla ters orantılıdır:

Elektromıknatıslar

Akım makarasının içine yumuşak demirden bir çekirdek konursa demir mıknatıslanır ve alan yüzlerce, hatta binlerce kat güçlenir. Bu düzeneğe elektromıknatıs denir. Elektromıknatısın en büyük üstünlüğü kontrol edilebilir olmasıdır: akım açılınca mıknatıs olur, kapatılınca mıknatıslığı kaybolur; akım artırılınca güçlenir, akımın yönü değiştirilince kutupları yer değiştirir.

Elektromıknatısın gücünü artırmanın yolları:

• Akımı artırmak,
• Sarım sayısını artırmak,
• Demir çekirdek kullanmak ve çekirdeği kalınlaştırmak.

Elektromıknatısların kullanım alanları çok geniştir:

• Hurda vinçleri tonlarca ağırlıktaki demiri kaldırır ve akım kesilince bırakır.
• Elektrikli zil ve röle, akım geçince bir metal parçayı çekerek çalışır.
• Hoparlör ve kulaklık, değişen akımla titreşen bir zarla ses üretir.
• Elektrik motorları ve jeneratörler manyetik alan ile akımın etkileşimine dayanır.
• MR cihazları, süper iletken bobinlerle çok güçlü ve düzgün alanlar oluşturur.
• Manyetik raylı trenler (maglev), güçlü elektromıknatıslarla raydan havalanarak sürtünmesiz yol alır.
• Sabit diskler, kredi kartlarının manyetik şeritleri ve eski kasetler, bilgiyi küçük bölgelerin mıknatıslanma yönüyle saklar.

Elektrikli zil nasıl çalışır?

Elektrikli zil, elektromıknatısın açılıp kapanabilmesinden yararlanır:

1. Düğmeye basılınca devre tamamlanır ve bobinden akım geçer; demir çekirdek mıknatıslanır.
2. Elektromıknatıs, yay ucundaki demir paleti (tokmağı) kendine çeker ve tokmak zile vurur.
3. Palet çekilince devredeki kontak açılır; akım kesilir ve elektromıknatıs mıknatıslığını kaybeder.
4. Yay paleti geri çeker; kontak yeniden kapanır, akım geçer ve döngü saniyede onlarca kez tekrarlanır.

Bu sürekli aç–kapa düzeneği, akım aktıkça tokmağın zile art arda vurmasını sağlar. Aynı fikir, küçük bir akımla büyük bir akımı açıp kapayan rölelerde de kullanılır: otomobilde marş düğmesine bastığında, küçük bir akım bir röleyi çalıştırır ve röle marş motorunun çektiği çok büyük akımın devresini kapatır.

Güçlü manyetik alanlar ve güvenlik

MR cihazlarının alanı Dünya'nınkinden on binlerce kat güçlüdür. Bu alan vücut için zararsızdır ama ferromanyetik cisimler için son derece tehlikelidir: içeriye unutulan bir makas, oksijen tüpü ya da tekerlekli sandalye büyük bir hızla mıknatısa doğru çekilebilir. Bu yüzden MR odasına metal eşyayla girilmez; kalp pili ya da bazı metal implantları olan hastalar önceden kontrol edilir. Güçlü mıknatıslar kredi kartlarını, mekanik saatleri ve bazı elektronik cihazları da bozabilir.

Manyetik alan ve kuvvet: elektrik motoruna giriş

Manyetik alan içindeki akım geçen bir tele kuvvet etki eder. Kuvvet hem alana hem de akıma diktir; alan ya da akım arttıkça büyür, akım alana paralelse sıfırdır. Elektrik motorlarında bir mıknatısın alanına konan tel çerçeveye etki eden kuvvetler çerçeveyi döndürür; komütatör denen düzenek akımın yönünü her yarım turda değiştirerek dönmenin sürmesini sağlar. Bu kuvvetin ayrıntılı hesabı AYT'de işlenir.