Manyetik Alan Nedir? Ne İşe Yarar?

Manyetik alan nedir: Mıknatısların birbirini çeken zıt kutupları ve birbirini iten benzer kutupları arasında kalır. Matematiksel olarak vektör alanı şeklinde ifade edilen manyetik bölgedir.

Manyetik Alan Nasıl Oluşur?

İçinde hareket eden elektrik yükleri tarafından manyetik alan oluşur. Elektrik yükleri yer değiştirdiğinde, yani bir elektrik akımı sirkülâsyonu olduğunda ortaya çıkar. Manyetik alan formülü, vektörel bir büyüklük olan manyetik alanın herhangi bir noktadaki yönü ve şiddeti ile açıklanır. Lorentz kuvveti ile bu alanda hareket eden elektrik yükü tanımlanır.

Manyetik alan, elektrik alan, akım ve onları yaratan yükler arasındaki bağlantı Maxwell denklemleri ile tanımlanır. Özel görelilik kuramı’ nda elektrik ve manyetik alan bir nesnenin birbiriyle alakalı iki özelliğidir. Kuantum fiziğinde ise elektromanyetik etkileşimler foton değişimi sonucunda oluşur. Manyetik alanın birçok kullanımı mevcuttur.

Dünya kendi manyetik alanını üretir. Bu da pusulanın temel çalışma prensibini oluşturur. Zıt kutupların gücünü kullanan alanlarda dönen manyetik alan için bu sirkülasyon yaygındır. Dönen manyetik alan jeneratör ve elektrik motorlarında kullanılır. Manyetik kuvvetler bir malzeme içerisindeki yük taşıyıcılarının sayısı hakkında bilgi verir.

Manyetik Alan Özellikleri

Bir mıknatısın mıknatıssal özelliklerini manyetik özelliklerini gösterebildiği alandır. Mıknatısın çevresinde oluşan çizgilere de, mıknatısın o bölgede oluşturduğu manyetik alan çizgileri denir. Bu çizgilerin yönü kuzeyden (N), güneye (S) doğrudur.

• Manyetik alanları açıklamak için manyetik alan çizgileri kullanılır.
• Manyetik alan çizgileri, N (North-Kuzey) ve S (South-Güney) olmak üzere iki kutup arasındaki kısır döngüden oluşarak ortaya çıkar. Yönü her zaman N – S şeklinde ifade edilir. Kuvvet çizgileri asla birbirlerini kesmezler.
• Diğer nesneler üzerinde de etki uygular.
• Dünyanın kendi manyetik alanı bulunur ve bunun en bilindik kullanım alanı pusuladır.
• Manyetik alan üretmek için mıknatıs şart değildir, bu alan elektriksel yüklerin hareketi ile de üretilebilir.
• Elektrik akımları, bir telin uzunluğu boyunca elektronların hareketiyle bir manyetik alan üretebilir.

Manyetik Kutuplar

Bir mıknatıs kütle merkezinden asıldığında bir ucu kuzeyi diğer ucu güneyi gösterir. Kuzeyi gösteren uca mıknatısın kuzey kutbu (N) , güneyi gösteren uca ise mıknatısın güney kutbu (S) denir. Mıknatısın aynı kutupları birbirini iter, zıt kutupları ise birbirini çeker.

Manyetik Alan Çizgileri

Manyetik alan, bir mıknatısın kuvvetinin etkili olduğu alandır. Mıknatısın çevresine demir tozları dökülür. Bu tozları, kutupların bölgesinde yoğun olmak üzere mıknatısın çevresinde çizgiler oluşturmasından anlaşılır. Manyetik alan, alan çizgileri veya manyetik kuvvet çizgileri şeklinde de tanımlanır.

Alan çizgilerinin N kutbundan S kutbuna doğru olduğu kabul edilir. Bir pusula manyetik alanın içine konulduğunda pusula manyetik alan yönünde uzanır. (N’den S’ye). Manyetik alan vektörü, bu çizgilere teğet durumdadır. Çizgilerin sık geçtiği yerlerde manyetik alan şiddeti fazladır.

Manyetik Kuvvet Çizgilerinin Özellikleri

• Kuvvet çizgileri kapalı bir devre meydana getirecek şekilde ilerlerler.
• Çizgiler birbirlerini iterler (birbirlerine paralel ilerler) ve bundan dolayı kesişmezler.
• Yönü dışarıda N kutbundan S kutbuna doğrudur.
• Manyetik kuvvet çizgileri her maddeyi etkilemese de her maddeden geçerler.
• Zıt yöndeki kuvvet çizgileri birbirlerini zayıflatırlar.
• Aynı yöndeki kuvvet çizgileri, manyetik alanı kuvvetlendirir.

Manyetik Alan Birimi Nedir?

Manyetik alan B harfi ile gösterilir. SI birimi Tesladır.  Lorentz kuvveti kullanılarak ölçülür.

Birimi coulumb-metre/saniye başına Newton‘ dur. Saniye başına coulomb’ a bir amper dendiğinden T = N (Am)^-1 olarak da geçer.

Tesla günlük olaylar için çok büyük bir birim olduğundan pratikte, gauss (G) kullanılmaktadır. 1 T = 10⁴ G. Manyetik alan ölçü birimi olarak Gauss (G) birimi de kullanılmaktadır.

Manyetik Alan Yoğunluğu

Birim yüzeydeki manyetik alan miktarıdır. Buna göre, birimi Tesla olduğundan manyetik alan yoğunluğunun birimi de Tesla / m² dir.

Elektrik Akımı ve Manyetik Alan

Hareket eden elektrik yükleri (akım), manyetik alan oluşturur. Bu durumda çevresindeki manyetik alanlardan etkilenir.

Manyetik Alan Sağ El Kuralı

Hareket eden yüklü parçacıklar (örnek. elektron) bir manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alan oluşturma yükün çevresini dairesel olarak sarar. Bunu matematiksel olarak açıklayan kişiler Jean-Baptiste Biot ve Félix Savart’ tır.

Biot-Savart yasası olarak adlandırılır. Bu yasa manyetik alanın şiddetinin yükten uzaklaştıkça azaldığı ve sağ el kuralı ile manyetik alanın yönü kolayca bulunmasını sağlar. Kurala göre iletken avuç içine alacak şekilde tutulduğu zaman ve başparmak akımın yönünü gösterir. Kalan dört parmak ise iletkende oluşan manyetik alanın yönünü gösterir. Sağ el kuralı ile, çeşitli mıknatıslar ve içinden akım geçen tel çubuklarda akımın, kuvvetin ve manyetik alanın yönü bulunur.

 

Akım taşıyan tel kıvrılırsa, oluşturduğu manyetik alan yoğunlaşır. Kıvrım sayısı arttırılarak manyetik alanın yoğunluğu arttırılır. Doğal mıknatıstan çok daha güçlü çekim kuvvetleri oluşturulabilir. Solenoitlerin içine demir çekirdek yerleştirilmesi ile elektromıknatıs elde edilir.

Elektrik akımına ve hareketli yüklere etkiyen manyetik kuvvet;

“B” manyetik alanında, “v” hızıyla hareket eden “q” yüklü parçacığa etki eden manyetik kuvvet Lorentz kuvveti olarak bilinir:

Lorentz Kuvveti

F= qv x B

Lorentz kuvveti; manyetik alan vektörüne ve parçacığın hız vektörüne diktir. “v” ve “B”  arasındaki vektörel çarpımdan dolayı, parçacık manyetik alana paralel hareket ederse etkiyen kuvvet sıfırdır. İki vektör birbirine dik olduğu zaman Lorentz kuvveti en büyük değerini alır.

Manyetik kuvvet, parçacığın hızına daima dik olduğu için hızı büyüklüğünü değiştiremez sadece yönünü değiştirebilir. Bu yüzden hızı ve yükü olan bir parçacık manyetik alanda dairesel hareketler yapmaya başlar. Manyetik kuvvet bu dairesel harekette merkezcil kuvvet işlevi yapar.

Manyetik Maddelerin Gruplandırılması

Faraday Kanunu: Üzerinden akım geçen iletken bir telin çevresinde manyetik bir alan ortaya çıkar. 1819 yılında H.C.Oersted tarafından bulunmuştur.

1831 de Henry ve Michael Faraday;

Bir devrede manyetik alanın değiştirilmesi ile de elektrik akımının oluşabileceğini göstermiştir. Bu sonuç elektrik ve manyetizmayı birleştiren temel ilkelerden biridir. Buna göre Faraday yasası; bir devrede indüklenen EMK (zıt EMK) büyüklüğü, devreden geçen manyetik akının zamanla değişim hızına eşittir.

Araştırmaları sonucunda maddelerin özellikleri, manyetik alana tepki göstermiştir. Bunun sonucunda etkileşimin olduğunu ortaya koymuştur. Gösterdikleri tepkiye göre maddeler üç sınıfta toplanabilir:

Bu manyetik maddeler nelerdir?

• Diyamanyetik Maddeler

Zayıf bir şekilde etkilenenler; Bağıl magnetik geçirgenlikleri µr < 1 olan bu tür maddelerdir. Güçlü bir magnetik alana dik şekilde kendilerini yönlendirirler.

Diyamanyetizma, tek sayıda elektronlara sahip ve tamamlanmamış içi kabuğu olmayan maddelerde görülür. Magnezyum, potasyum, hidrojen, radyum, bakır, altın, gümüş ve su diyamanyetik sınıfa girerler.

• Paramanyetik Maddeler 

Bağıl magnetik geçirgenlikleri µr > 1 olan bu tür maddelerdir. Güçlü bir magnetik alana paralel şekilde kendilerini yönlendirirler. Paramanyetizma çift sayıda elektronlara sahip maddelerde görülür. Alüminyum, silisyum ve hava paramanyetik sınıfa girer.

• Ferromanyetik Maddeler

Kuvvetli bir şekilde mıknatıslardan etkilenen maddelerdir. Kobalt, demir, nikel ve alaşımlarını içeren maddeler bu sınıfa girer.

Akım Taşıyan Tele Etkiyen Manyetik Kuvvet

Akım taşıyan teldeki her bir elektrik yüküne “qv x B” kuvveti etki eder. Parçacık sayısı ile kuvvet çarpılarak toplam kuvvet bulunur. Kesit alanı “A”, uzunluğu “L” olan bir tel parçasındaki parçacıkların sayısı “nAL” dir. (n birim hacimdeki yük sayısı). Bundan dolayı kuvvetin büyüklüğü “F=qvBnAL” olur. Akımın “I=nqvA” tanımı kullanılırsa bulunur.

F=IL x B

L akım yönünde, büyüklüğü telin boyuna eşit vektördür.

Yerin Manyetik Alanı

Yerin manyetik alanı, Dünyanın sıvı dış çekirdeğindeki konveksiyon akımları ile oluşur. Dış çekirdekteki konveksiyon hareketleri, zaman içinde manyetik alanı meydana getirir. Bu konveksiyon hareketlerinin dünyanın oluşumundan beri meydana geldiği düşünülmektedir.

Yeryüzü çekirdeğinin içi katı, dışı sıvı demir termal hareketler ile kendi magnetik alanlarını oluşturur. Atomların yeterli bir güçle ve düzenli bir şekilde değiştirmesi ve yönlendirmesi kalıcı mıknatıslanmaya sebep olur. Böylece dünyanın kabuğunda kalıcı mıknatıslanma oluşturur. Dünyayı, etrafı magnetik alanla çevrelenmiş büyük küresel bir mıknatıs gibi düşünülebilir.

Dünyanın Manyetik Alanı

Kuzey ve güney kutupları olan, merkezde yerleşmiş bir dipol mıknatıs (magnetic dipole) çubuk olarak ta tanımlanır. Dünyanın dönüş ekseni ile dipolün ekseni arasında yaklaşık olarak 11 derece fark vardır. Bu kuzey ve güney coğrafi kutuplarla, magnetik kutupların üst üste gelmediğini gösterir.

Herhangi bir noktadaki yer manyetik alanı, ölçülen bileşen ve yön ile tespit edilir. Yerin içindeki dev mıknatıs Coğrafi kuzey-güney doğrultusu ile yaklaşık 11-15º lik bir açı yapacak şekilde konumlanır. Bunun için pusulanın belirtiği yön tam olarak coğrafi kuzey yönü olmayıp 11-15º arasında sapma yapar.

Dönen Manyetik Alan

Manyetik alanın yönünün, belirli bir açısal hıza sürekli değiştiği durumdur. Bu durum, Alternatif akım motorunun (AC motor) çalışma prensibidir.

Hall Etkisi

Akım taşıyan bir iletken, manyetik alan içine yerleştirilirse akıma ve manyetik alana dik yönde bir potansiyel farkı üretir. Bu olay 1879’da Edwin Hall tarafından gözlenmiştir.

Hall etkisi, yük taşıyıcıları manyetik alandan dolayı kuvvet ile, iletkenin bir tarafına doğru sapmalarından kaynaklanır. Yük taşıyıcıların işareti ve yoğunluğu hakkında bilgi verir. Aynı zamanda manyetik alanların büyüklüklerini ölçmek için de kullanılabilir.

Mıknatıs Etkisinin Ortamdan Geçişi

• Yumuşak demir gibi maddeler ferromanyetiktirler. Mıknatısın kutupları arasına yerleştirilirse manyetik alan çizgilerini sıklaştırırlar.
• Magnetik alan çizgilerini zayıflatan maddeler magnetik özellik göstermemektedirler.

Buna karşılık olarak;

-273+500 ^oC derece üzerinde manyetik özellik kaybolmaktadır. Dünyanın manyetik alanı uydusu olan Ay’ dır. Gelgit çekimlerinden etkilenerek tersi yönünde dönen dünya sayesinde oluşmaktadır.

Manyetik Akı

Manyetik akı “Φ” harfiyle gösterilir. Toplam manyetizmanın ölçüsüdür. Bu yönü ile elektrik yükün manyetik karşılığıdır. Manyetik akı yoğunluğu ise “B” harfiyle gösterilir ve birim kesit alandan geçen manyetik akı miktarının ölçüsüdür.

Birimi weber ‘dir. (Wb) Bu durumda manyetik akı yoğunluğu ise weber/ metre² dir. (Wb/m²) Ancak uluslararası SI birimlerde Tesla birimi de kullanılır. (T). Buna göre 1 T = 1 Wb/m².

Manyetik Alanın Zararlı 

Bir iletkenden akım geçirilince, çevresinde bir manyetik alan oluşur. Elektrik akımının manyetik etkisinden faydalanma alanları oldukça fazladır. Ama birçok zararlı etkileri de vardır. Manyetik alanın ve elektrik alanının yaydığı dalgalara elektromanyetik dalga denir. Bazı dalgaların canlılar üzerinde bazı olumsuz etkileri olmaktadır.

Bu dalgaların insanın bağışıklık sistemini zayıflattığı ve kanser türü hastalıklara sebep olduğu söylenmektedir. Bir sistemin manyetik alanı, iyi bir manyetik yalıtım yapılmalıdır. Yalıtım yapılmazsa başka sistemlerin çalışmasını olumsuz etkileyebilir.

Örneğin; bilgisayar, televizyonun yanında cep telefonu çalışınca parazit sesleri duyulur. Hem de ekran görüntülerinde bozulmalar oluşur. Özellikle elektronik sistemlerde hassas ölçümler yapıldığında bu etki sakıncalı sonuçlar doğurabilir

Manyetik Alanın Dezavantajları

• Canlı metabolizmasını bozabilir. Halsizlik, yorgunluk ve bir takım hastalıklara sebebiyet verebilir.
• Ölçüm cihazlarını etkileyerek yanlış ölçümlere neden olabilir.
• Bazı elektronik cihazların çalışmaları üzerinde olumsuz etkileri görülebilir