MANYETİZMA (magnetism)

MANYETİZMA

  • Demir, nikel ve kobalt gibi maddeleri çeken maddelere mıknatıs denir. Mıknatısın çekme ve itme gibi mıknatıslık özelleği gösterdiği bölgeye manyetik alan denir.
  • mıknatıs

    Bir mıknatısın kuzey (north-N) ve güney (south-S) olmak üzere iki kutuptan oluşmaktadır. Kutuplar aynı zamanda mıknatısın en yoğun çekme özelliği gösterdiği kısımlarıdır. Kutuplar yüklerde olduğu gibi aynı kutuplar birbirini iter, zıt kutuplar ise birbirini çeker.

  • Bir mıknatıs kaç parçaya bölünürse bölünsün yüne iki kutuplu olur.
  • mıknatıs

    Manyetik Cisimlerin Sınıflandırılması

    Tabii bir mıknatıs olan “magnetit” in kimyasal formülü Fe3O4 tür. Manyetik cisimler şu şekilde sınıflandırılırlar;

    1. Diyamanyetik maddeler: Zayıf bir şekilde etkilenenler; Bağıl manyetik geçirgenlikleri µr < 1 olan bu tür maddeler, güçlü bir manyetik alana dik şekilde kendilerini yönlendirirler. Radyum, potasyum, magnezyum, hidrojen, bakır, gümüş, altın ve su diamanyetik gruba girerler.

    2. Paramanyetik maddeler : Bağıl manyetik geçirgenlikleri µr > 1 olan bu tür maddeler, güçlü bir manyetik alana paralel şekilde kendilerini yönlendirirler. Paramanyetizma çift sayıda elektronlara sahip maddelerde görülür. Hava, alüminyum ve silisyum paramanyetik gruba girer.

    3. Ferromanyetik maddeler: Kuvvetli bir şekilde mıknatıslardan etkilenen maddelerdir, Demir, nikel, kobalt ve alaşımlarını içeren maddeler bu gruba girer.

    Mıknatıslanma

    Demir,kobalt, nikel gibi manyetik herhangi bir metal aşağıdaki yöntemlerden biri veya birkaçı ile sabit mıknatıs
    haline getirilebilir.

    1. Yeryüzünün manyetik alanına paralel şeklide yerleştirerek, çok şiddetli ve keskin bir darbe indirmek.
    2. Bir mıknatısa temas ettirmek veya mıknatısın bir kutubuna sürtmek.
    3. Cisimi ısıtmak ve soğurken yeryüzünün manyetik alanı yönüne çevirmek.

MANYETİK KUVVET

    manyetik kuvvet

    İki mıknatısın birbirine uyguladığı manyetik kuvvet, kutup şiddetlerinin(m) çarpımı ile doğru aralarındaki uzaklığın(d) karesi ile ters orantılıdır.

MANYETİK KUVVET ÇİZGİLERİ

  • Bir mıknatısın manyetik özelliklerini gösterdiği bölgeye manyetik alan denir. Manyetik alan içindeki bir noktada birim “N” kutbuna etkiyen kuvvete o noktanın manyetik alan şiddeti denir. “B” sembolü ile gösterilir. Manyetik alan vektörel bir büyüklüktür. Manyetik alan anlaşılması daha kolay olması için hayali alan çizgileri ile gösterilir. Alan çizgileri yönü “N” kutbundan dışarı doğru, “S” kutbunda ise içeri doğrudur.
  • manyetik alan kuvvet çizgileri

    Şekil-1

    manyetik alan kuvvet çizgileri

    Şekil-2

    manyetik alan kuvvet çizgileri

    Şekil-3

MIKNATISLANMA

    Manyetik maddeler (kobalt, demir ve nikel) üç şekilde geçici mıknatıslık özelliği kazanır.

    1. Sürtünme ile mıknatıslanma: Manyetik maddenin mıknatısa hep aynı yönde sürtülmesi sonucu mıknatıslık özeliği kazanır.

    2. Dokunma ile mıknatıslanma: Manyetik maddenin mıknatısa dokundurulması sonucu mıknatıslık özeliği kazanır.

    3. Etki ile mıknatıslanma: Manyetik maddenin mıknatısa dokundurulmadanyaklaştırılması sonucu mıknatıslık özeliği kazanır.

İÇİNDEN AKIM GEÇEN TELİN MANYETİK ALANI

  • İletken bir telden akım geçirildiğinde, telin etrafında manyetik alan oluşur. Manyetik alanı, tele yaklaştırılan pusula iğnesinin sapmasıyla gözlemleyebiliriz. İçinden “i” kadar akım geçen telin etrafında “d” kadar uzaklıkta oluşan manyetik alanın büyüklüğü;
  • bağıntısı ile hesaplanır. ()

    manyetik alan birim tablosu

    Manyetik alanın yönünü bulmanın pratik yolu sağ el kuralını uygulamaktır.Baş parmak akım yönünü gösterecek şekilde tutulursa, teli kavrayan 4 parmağın yönü manyetik alanın yönünü gösterir. Şekil de görüldüğü gibi “d” kadar mesafede bir çember çizecek olursak, bu çember üzerindeki her noktada manyetik alan vektörü yarıçapa dik konumda olur.

    manyetik alan kuvvet çizgileri

    İçinden “i” akımı geçen iletken telin belirli bir kesitinden “d” kadar uzaktaki bir noktada oluşan manyetik alan yarıçap vektörüne dik konumdadır. İçinden “i” akımı geçen iletken teli sayfa düzleminde (iki boyutta) inceleyecek olursak;
    :manyetik alanın yönü sayfa düzleminden dışa doğru
    :manyetik alanın yönü sayfa düzleminden içe doğru

    içinden akım geçen telin manyetik alan

AKIM TAŞIYAN HALKA ŞEKLİNDEKİ TELİN MANYETİK ALANI

  • İçinden akım geçen halka şeklindeki iletken telin merkezinde oluşan manyetik alanın büyüklüğü; bağıntısı ile hesaplanır.
  • Eğer halkada “N” tane sarım varsa manyetik alanın büyüklüğü; bağıntısı ile hesaplanır.
  • manyetik alan
    manyetik alan
  • Halkanın merkezinde oluşan manyetik alanın yönü yine sağ el kuralı ile bulunur. Elin dört parmağı akım yönü, baş parmakta halkanın merkezindeki manyetik alanın yönünü gösterir.

ÜZERİNDEN AKIM GEÇEN SELENOİDİN MANYETİK ALANI

  • Bobin (akım makarası veya selenoid) iletken bir telin halka şeklinde çok sayıda bükülmesi ile elde edilir. Eğer iletken telden akım geçirilirse, sistemde oluşan manyetik alan çizgileri şekildeki gibi olur.
  • selenoidin kuvvet çizgileri
    selenodin kuvvet çizgileri

    Manyetik alan bobinin içinde sabit dışında
    ise uzaklığa bağlı olarak değişir. Bobinin içinden geçen manyetik alanın büyüklüğü; manyetik alan kuvvet çizgileribağıntısı ile hesaplanır.

    selenoidin tablo
    self selenoid akım makarası
  • Bobinin merkezinden geçen manyetik alanın yönü yine sağ el kuralı ile bulunur. Sağ elin dört parmağı akım yönünü gösterecek şeklinde bobin tutulur. Açık olan baş parmak manyetik alanın yönünü gösterir.

MANYETİK ALANDA İÇİNDE AKIM GEÇEN TELE ETKİYEN KUVET

    manyetik alan
  • Düzgün manyetik alan içine, içinden “İ” akımı geçen iletken tele bir kuvvet etki eder. Manyetik kuvvetin büyüklüğü; manyetik alanla, iletken telle ve akımla doğru orantılı olarak değişir. Manyetik kuvvetin yönü sağ el kuralı ile bulunur. Sağ elin dört parmağı manyetik alanın (B) yönünü, baş parmak akım yönünü(İ) gösterecek şekide tutulursa avuç içinin baktığı yön kuvvetin(F) yönüdür.
  • içinden akım geçen tele etkiyen kuvvet
  • İletken tel manyetik alana dik ise iletken tele etkiyen kuvvet; bağıntısı ile hesaplanır.
  • içinden akım geçen tele etkiyen kuvvet
  • iletken tel manyetik alanla açı yapacak şekilde konumlanmışsa, iletken tele etkiyen kuvvetin büyüklüğü; bağıntısı ile hesaplanır.
  • içinden akım geçen tele etkiyen kuvvet

MANYETİK ALANDA İÇİNDE AKIM GEÇEN TELE ETKİYEN KUVET

    içinden akım geçen tellere etkiyen kuvvet

    İçenden akım geçen tel, etrafında bir manyetik alan oluşturduğunu ve manyetik alanda içinden akım geçen iletken tele manyetik kuvvetin etki ettiğini öğrendik. Bu durumda içinden akım geçen en az iki telin oluşturdukları manyetik alanın etkisi ile tellere bir mayetik kuvvet etki eder.

    Birinci telin ikinci telin üzerinde oluşturduğu manyetik alan; Oluşan kuvvetin büyüklüğü; F1=B1.i2.l olduğuna göre B1 değeri kuuvet formülünde yerine yazılırsa; bağıntısı elde edilir. İkinci telin birinci telin üzerinde oluşturduğu manyetik alan; Oluşan kuvvetin büyüklüğü; F2=B2.i1.l bağıntısında B2 değeri kuvvet formülünde yerine yazılırsa; bağıntısı elde edilir. Tellerde oluşan manyetik kuvvetinlerin büyüklüğü birbirine eşit ancak zıt yönlüdür.

    tellerin birbirine uyguladığı kuvvet
  • İletken tel içinden geçen akımlar aynı yönlü ise, oluşan kuvvetler tellerin birbirlerini çekmesine neden olur.
  • tellerin birbirine uyguladığı kuvvet
  • İletken tel içinden geçen akımlar zıt yönlü ise, oluşan kuvvetler tellerin birbirlerini itmesine neden olur.

AKIM TAŞIYAN TEL ÇERÇEVEYE ETKİYEN KUVET VE MOMENT

    içinden akım geçen tel çerçeve
  • İçinden “i” akımı geçen bir tel çerçeveyi düzgün manyetik alan içine konulduğunda, tel çerçeveye kuvvet uygular. Tel çerçevenin her noktasına uygulanan manyetik kuvvet toplamı sıfırdır.
  • tel çerçeve kuvvetİçinden akım geçen iletken tel manyetik alan içine konulduğunda, tele bir manyetik kuvvet etki ettiğini öğrenmiştik. Bu kuvvetin büyüklüğü; bağıntısı ile hesaplanır.
  • Akımla manyetik alanın paralel olduğu durumda kuvvet sıfır olur. Tel çerçevenin manyetik alana dik olan kısmlarına etki eden kuvvetler birbirine ters ve eşit kuvvette olur. Net kuvvet sıfırdır. Tel çerçevenin karşılıklı kollarına etki eden manyetik kuvvetler çerçeveyi OO’ ekseni etrafında döndürürler. Tel çerçevenin dönme sonucu oluşan momentin büyüklüğü; bağıntısı ile hesaplanır. (α:Akım ile manyetik alan arasındaki açı)
  • tel çerçeve kuvvet

AKIM TAŞIYAN TEL ÇERÇEVEYE ETKİYEN KUVET VE MOMENT

MANYETİK ALAN İÇİNDE HAREKET EDEN YÜKLÜ PARÇAÇIĞA ETKİYEN KUVVET

    manyetik alanda  yüklü tanecik
  • q yüklü parçacık v hızı manyetik alana dik olacak şekilde ile atıldığında, yüklü taneciğe bir manyetik kuvvet etki eder. Bu kuvvetin yönü sağ el kuralı ile bulunur. Sağ elin dört parmağı manyetik alanın yönünü, eğer tanecik “+” yüklüyse baş parmak hız vektörünün yönünü, eğer tanecik eksi yüklüyse baş parmak hız vektörünün tersi yönünü gösterecek şekilde tutulursa, avuç içinin baktığı yön kuvvet yönüdür. sağ el kuralı
  • manyetik alanda hareket eden yüklü parçacık
  • Manyetik alan içine v hızıyla giren +q yüklü taneciğe etkiyen manyetik kuvvetin büyüklüğü; F=q.v.B bağıntısı ile hesaplanır.
  • Eğer tanecik manyetik alana , alanla α açısı yapacak şekilde girerse; F=q.v.B.sinα bağıntısı ile hesaplanır
  • manyetik alanda hareket eden yüklü parçacık
  • Manyetik alan içinde “F” kuvvetinin etkisiyle dairesel hareket yapar. Dairesel hareket yapan yüklü taneciğin merkezkaç kuvveti; Fmerkezkaç=m.V2/r olduğunu hatırlayalım. Fmerkezkaç=Fmanyetik olduğunda tanecik dairesel haerket yapar. Bu eşitlikten ;
  • manyetik alanda hareket eden yüklü parçacık bağıntısı elde edilir.
  • Dairesel hareket yapan taneciğin periyodun da; yukarıda bulduğumuz "r" değeri yerine yazılırsa; bağıntısı elde edilir. Frekans değeri ise; olur.

ELEKTROMANYETİK İNDÜKLEME

Bilim ve teknolojini gelişmesiyle bizi bağımlı yapan elektrikli cihazların çalışmasını sağlayan elektriğin nasıl üretildiğini biliyormusunuz. Daha önce akımın etrafında manyetik alan oluşturduğunu öğrenmiştik. Bu dersimizdede manyetik alanın değişmesi (akı değişimi) sonucu elektrik akımının oluşumunu görecez. Günümüzde kullandığımız pillerin atası olan volta pilleri 1800 yılların başında elektrik üretmek için kullanılıyordu. 1820 yıllarda elektrik akımının etrafında manyetik alan oluştuğunu keşfeden bilim adamları bu özelliği kullanarak elektirik akımı üretme arayışına girdiler.Michael Faraday, 1931 yılında bulduğu manyetik alanın değişmesiyle oluşan emk’yı tanımladıktan sonra elektrik motorlarının, jeneratörlerin, transfomatörlerin gelişmesini sağlamıştır.

Michael Faraday

MANYETİK AKI

  • Düzgün manyetik alan içine konan çerçeveden geçen manyetik alan çizgi sayısına manyetik akı denir. Akı sembolü "Ф" ile gösterilir. Skaler bir büyüklüktür. Uluslararası (SI) birim sisteminde birimi Weber (Wb) dir.Bir yüzeyden geçen manyetik akının değeri; genel bağıntısı ile ifade edilir. ( α:Yüzeyin normaili ile manyetik akı çizgileri arasındaki açı.)
  • indükleme tablo
    indükleme tablo

    Çerçevenin manyetik alana dik olduğunda, manyetik akı değeri maximumdur.
    Ф=BA

    indükleme tablo

    Çerçeve manyetik alana α açısı yaparsa yüzeyden geçen manyetik çizgi sayısı azalır.
    Ф=BACosα

    indükleme tablo

    Çerçeve manyetik alana paralel olduğu durumda çerçeveden manyetik alan çizgi geçmeyeceğinden akı "0" olur.

İNDÜKSİYON EMK'sı (Akı Değişimi)

  • Manyetik Akı (Ф=BACosα) büyüklüğünü değiştirmek için B, A ve α ifadelerinden an az birini değiştirmek gerekir. Değişim miktarı; ΔФ=Ф21 olur. Birim zamanda akıda meydana gelen değişim miktarı indiksiyon emk sı olarak tanımlanır. ε=ΔФ/Δt İndüksiyon emk’sının birimi Wb/s=volt’tur.
  • N sarımlı tel çerçevede oluşan maksimum emk; εmax=NBAω =NBA2πf bağıntısıyla hesaplanır.

İNDÜKSİYON AKIMI

         Manyetik alan içinde hareket eden yüke elektriksel kuvvet etki eder. Manyetik alanda hareket eden iletken KL çubuğunda serbest elektronlar elektriksel kuvvetin etkisiyle “K” kısmına hareket eder. ”K” noktasında eksi yük yoğunluğunun, “L” kısmında ise artı yük yoğunluğunun oluşmasına neden olur. “KL” çubuğu iletken telle bağlanırsa, telde bir akım oluşur. Oluşan bu akıma indüksiyon akımı denir.

    indüksiyon akımı
    indüksiyon akımı
  • “K ve L” uçlarındaki yük birikimi, manyetik alan elekrik alana eşit olana kadar devam eder. Fe=-Fm ise; qE=-qVB eşitliği yazılır. Buradan VKL=-vB eşitliğine ulaşılır. Birimi “Volttur” Buradaki “-” işareti indüksiyon akımının yönünü ifade eder. İndüksiyon akımının oluşabilmesi için hız vektörü ile manyetik alan vektörü birbirine parelel olmamalıdır.
  • özindüksiyon

LENZ KURALI (İndüksiyon Akımının Yönü)

    lenz
  • Bir devrede oluşan indüksiyon akımının yönü kendisini oluşturan manyetik alana zıt yönde bir alan olşturacak şekilde olur. Bu kural heinrich lenz tarafından bulunduğundan, Lenz kuralı olarak adlandırılır.
  • “KL” çubuğu +x yönünde hareket ettirildiğinde kapalı alannda akı miktarında bir artma söz konusu olacaktır. Bu durumda oluşan indüksiyon akımın oluşturacağı manyetik alanını yönü (B’), (B) ile ters yönlü olmalıdır. “KL” çubuğu -x yönünde hareket ettirildiğinde kapalı alannda akı miktarında bir azalma söz konusu olacaktır. Bu durumda oluşan indüksiyon akımın oluşturacağı manyetik alanını yönü (B’), (B) ile aynı yönlü olmalıdır.

ÖZİNDÜKSİYON EMK'SI VE AKIMI

  • Şekildeki bobinden akım geçerken bobin içinde ve çevresinde manyetik alan (B), dolayısıyla akı (Ф) oluşur. Reosta devredeki akımı değiştirmeye yarayan düzeneklerdir. Reostayı hareket ettirirek akımı azaltmak veya arttırmak bobindeki manyetik alan şiddetini yani akı’nın değişmesine neden olur. Akı’nın azalması veya artması devrede bir indüksiyon emk’sının ve indüksiyon akımının oluşmasına neden olur. Oluşan emk ya öz indüksiyon emk sı ve akıma da öz indüksiyon akımı denir. Üretecin devreye verdiği akımın şiddeti Δt kadar sürede Δi kadar değişiyorsa, bobinde oluşan öz indüksiyon emk sı; ε=-L.Δi/Δt bağıntısı ile hesaplanır.
  • özindüksiyon
    lenz
    özindüksiyon

    Devredeki akım azaldığında, akının azalmasına engel olacak şekilde devrenin akımıyla aynı yönde öz indüksiyon akımı oluşur.

    özindüksiyon

    Devredeki akım artığında, akının artmasına engel olacak şekilde devrenin akımıyla zıt yönde öz indüksiyon akımı oluşur.

    özindüksiyon