Milattan önce beşinci yüzyılda Manisa’da eski Yunanlılar demir parçalarını çeken bazı kayalar olduğunu biliyorlardı. Manisa (Magnesia) civarında oldukça bol olan bu kayalara mıknatıs denilmektedir. İngilizcesi “magnet” olan mıknatıs, İngilizce dilinde manyetizma yani “magnetism”den ileri gelmektedir. Demir oksitten oluşan kayalar da manyetit (ing. magnetite) olarak adlandırılır. Milattan sonra 1100 yılında Çinlilerin manyetit iğneler kullanarak pusula yaptıklarını ve on üçüncü yüzyılda da manyetitlerin iki en büyük (maksimum) çekim noktasına sahip olduğunu yani iki kutba sahip olduğu keşfedildi. Bu kutuplardan birine A diğerine de B diyelim. A ve A kutbu birbirini iter, B ve B kutbu da birbirini iter ama A ve B kutupları birbirlerini çekerler. Burada sanki elektrikte olduğu gibi aynı yükler birbirini iter, farklı yükler birbirini çeker şeklinde bir benzerlik görülse de elektrik ve manyetizma arasında büyük farklılıklar vardır. Elektrikte de iki kutupluluğa sahibiz ama bir eksi veya bir artı kutbu serbestçe seçebiliriz. Manyetizma ile ise bu oldukça farklıdır çünkü herhangi bir seçimimiz yoktur. Kutuplar her zaman çiftler hâlindedir. Yani manyetizmada tek bir kutup yoktur. En azından bildiğimiz kadarıyla, izole olmuş yani birbirinden yalıtılmış manyetik kutuplar yoktur. Hatta bununla ilgili tüm Fizik2 dersine giren hocalarımızın söylediği gibi eğer herhangi biri bir manyetik tek kutup (monopole) bulursa, kesinlikle Nobel Ödülü alacağı gözüyle bakılıyor.
Bununla beraber manyetik tek kutup arayışlarında olan bilim insanlarının olduğunu da söyleyebilirim. Elektrikte tek kutuplar ise vardır. Eğer bir artı yüke sahipseniz, o bir elektrik tek kutuptur. Eksi bir yük de, elektrik yükü de aynı şekilde bir elektrik tek kutuptur. Eğer bir artı ve bir eksi eşdeğer büyüklükte yükler söz konusu ise onlar da bir elektrik dipolüdür. Elektrik dipolünü Elektrik ve Manyetizma yazı dizimiz içerisinde ele almıştık, bir ara okuyabilirsiniz. Konumuza devam edersek, herhangi bir zaman için bir mıknatısa sahipseniz, o halde her zaman için bir manyetik dipole de sahipsiniz demektir. Sonuç olarak manyetik bir tek kutup gibi bir şey yoktur, bildiğimiz kadarıyla hiç görülmemiştir.
16. yüzyılda Gilbert Dünya‘nın gerçekten dev bir mıknatıs olduğunu keşfetti ve o pusulalarla deneyler yaptı. Dünya’nın elektrik-manyetik alan haritasını çıkaran ilk kişi oldu.
Şimdi bu manyetit iğnelerden birini alın ve gösterdiği yönün olduğu nokta iğnenin artı yanıdır yani kuzey ve iğnenin diğer tarafı güneydir. İşte genellikle mıknatıslarda kutupları bu yüzden kuzey ve güney kutup olarak ifade ederiz. Öyleyse A, A kutbunu iter ve B, B kutbunu iter ama A ve B kutupları birbirini çeker, en kuzey Dünya’nın manyetik Güney Kutbu’dur, manyetik Kuzey kutbu değildir.
Manyetik Alan Nedir?
Manyetik alanlar tellerdeki makroskobik akımlar veya atomik yörüngelerdeki elektronlar ile ilintili mikroskobik akımlar yani elektrik akımları tarafından üretilir. Ayrıca zamanla değişen elektrik alanlarından da üretildiğini gelecek yazılarımızda ifade edeceğiz. Manyetik alanı B, Lorentz kuvvet yasasına göre hareket eden yük üzerindeki kuvvet terimleri ile tanımlanır. Yük ile manyetik alanın etkileşimi bir çok pratik uygulamaya yol açmaktadır. Manyetik alan kaynakları doğada iki kutuplu olarak bulunurlar, kuzey ve güney manyetik kutup olarak. Manyetik alanın SI birimi Tesla’dır. Tesla’nın Lorentz kuvvet yasasının Fmanyetik = qvB manyetik parçasından (Newtonxsaniye)/(Coulombxmetre) olduğu görülebilir. Daha küçük bir manyetik alan birimi ise Gauss’dur, 1 Tesla 10 bin Gauss’a karşılık gelir. Yüzeyde Dünya’nın manyetik alanı bir yarım Gauss kadardır. B manyetik niceliği manyetik alan olarak adlandırılırken bazen manyetik akı yoğunluğu olarak da söylenebilir. Tesla’nın en eski ismi metre kare başına Weber’dir, Weber ise manyetik akının birimidir.
Manyetik alan vektörel bir büyüklüktür, dolayısıyla bir büyüklüğü ve bir yönü vardır. Bu yön ve büyüklüğüne göre bir manyetik alanı tanımlarız. Genellikle de Lorentz kuvvet yasası ile hareket eden bir yüke olan manyetik alanın etkisi belirlenir. Dünya kendi manyetik alanını üreten dev bir mıknatıstır ve pusulaların kullanımı ise bu manyetik alana dayanır. Dönen bir manyetik alan elektrik motorları ile jeneratörlerde kullanılır. Manyetik alandan doğan manyetik kuvvet ise bir malzemedeki yük taşıyıcılarının sayısı hakkında bilgi edinmemizde işe yarar. Bir mıknatısın oluşturduğu alanın etkilediği bölgede oluşan çizgilere manyetik alan çizgileri denir ve bu çizgilerin yönü kuzey kutuptan güney kutbuna doğrudur. Bu kutuplar coğrafik olarak değil, mıknatısa göredir.
Lorentz Kuvveti
Elektrik alan ve manyetik alanın her ikisi Lorentz kuvvet yasasından tanımlanabilir:
Elektrik kuvveti açık bir şekilde anlaşılır ki eğer yük pozitif ise elektrik alanın yönü ile aynı yöndedir ama kuvvetin manyetik parçasının yönü sağ el kuralı ile verilmektedir.
Sağ El Kuralı
Sağ el kuralı Lorentz kuvvet yasası tarafından verildiği gibi bir manyetik kuvvetin yönünü görsel olarak hatırlatan kullanışlı bir ipucudur. Aşağıdaki diyagram bir hareketli pozitif yük üzerine etkiyen kuvveti görselleştirmek için kullanılan formlardan ikisini göstermektedir. Kuvvet gösterilen yönde hareket eden negatif bir yük zıt yöndedir. Aklımızda tutmamız gereken şeylerden biri manyetik kuvvetin hem manyetik alana hem de yükün hızına dik olduğudur ama bu iki olasılık geriye kalır. Sağ el kuralı sadece iki yönden hangisinin uygulamaya uygun olduğunu belirlememizde yardımcı olur.
Akım taşıyan tele uygulandığında, konvansiyonel elektrik akımının yönü yukarıdaki diyagramda v yük hızı ile yer değiştirebilir.
Mıknatıs Çubuğun Manyetik Alanı
Bir çubuk mıknatıstan çıkan manyetik alan çizgileri kapalı çizgiler şeklinde oluşur. Kural gereği, alan yönü mıknatısın Kuzey kutbundan dışa ve Güney kutbundan içeriye doğru alınır. Kalıcı mıknatıslar ferromanyetik malzemelerden yapılabilir.
Çubuk mıknatısın manyetik alan çizgileri bir pusula yardımıyla planı-şematiği çizilebilir. Bir pusulanın iğnesi kendisi bir kalıcı mıknatıstır ve pusulanın kuzey göstergesi ise bir manyetik kuzey kutuptur. Bir mıknatısın kuzey kutbu manyetik alan ile aynı hizada olma eğiliminde olacaktır, yani bir askıda pusula iğnesi manyetik alan çizgisiyle aynı hizaya gelene dek dönecektir. Manyetik kutupların çekici olmasının tersine, pusulanın kuzey göstergesi bir mıknatısın güney kutbuna doğru işaret eder. Dünya’nın manyetik alanında ise, pusula Dünya’nın coğrafik Kuzey Kutbu’na işaret edecektir çünkü aslında o bir manyetik güney kutbudur. Dünya’nın manyetik alan çizgileri coğrafik Kuzey Kutbu yakınlarında Dünya’ya giriş yapar. Oysa bir çubuk mıknatısta veya bir pusulanın iğnesinde manyetik alan çizgileri manyetik kuzey kutuptan çıkıp manyetik güney kutba giriş yapar. Bu nedenle Dünya’nın coğrafik kutupları ile bir mıknatısın kutupları arasında böylesine bir fark olduğu bilinmelidir.
Elektrik ve Manyetik Alan Kaynakları Arasındaki Farklar
Yazımızın girişinde elektrik ve manyetizma arasında büyük farklılıklar var demiştik. Manyetik tek kutup olmayışını en büyük farklılık olarak örnek vermiştim. Bu duruma bir de görsel açıdan bakalım,
Bir nokta yükün elektrik alanı bir pozitif yükten radyal olarak dışarı doğrudur. Bir çubuk mıknatısın manyetik alanı ise kapalıdır.
Elektrik kaynaklar doğal olarak tek kutup veya nokta yük kaynaklarıdır. Manyetik kaynaklar ise doğal olarak dipol kaynaklardır ve Kuzey veya Güney tek kutuplar olarak ayıramayız.
Çubuk Mıknatıs ve Solenoid
Bir solenoid bobinde elektrik akım tarafından üretilen manyetik alan bir çubuk mıknatısın manyetik alanıyla benzerdir.
Elektromanyet
Elektromanyetler demir çekirdek solenoidler hâlinde ortaya çıkmaktadır. Demir çekirdeğin ferromanyetik özelliği solenoidde akım tarafından üretilen küçük sürücü manyetik alanla aynı hizada olan demirin iç manyetik alanlarına neden olur. Bu olay onlarca hatta yüzlerce faktörlük manyetik alan çarpımı anlamına gelir. Solenoidin manyetik alanı
ve k demirin göreli geçirgenliğidir, demir çekirdeğin büyüteç etkisini gösterir.
Böylelikle Elektrik ve Manyetizma isimli yazı dizimizde bir konunun daha sonuna geldik. Bu yazımızda manyetizma konusuna bir giriş yaparken manyetik alandan da bahsetmiş olduk. Bu yazı dizisi ile ilgili gelecek yazımızda manyetik kuvvete değineceğiz.
Gökhan Atmaca, MSc. facebook.com/anadoluca | twitter.com/kuarkatmaca
Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kuark Bilim Topluluğu
Kaynaklar:
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/magfie.html#c1
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/elemag.html#c1
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/magfor.html
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/magint.html
- http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/mag_field.htm
- http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_field
Elektrik ve Manyetizma yazı dizimizde,
Önceki Yazımız: Elektromotor Kuvveti (emk) Nedir?
Sonraki Yazımız: Manyetik Kuvvet Nedir?
