Manyetizma Temelleri: Mıknatıslar, Manyetik Alan ve Kuvvet

Mıknatıslar ve manyetik alanın temel özellikleri

Mıknatısların kuzey ve güney olmak üzere iki kutbu bulunur. Aynı tür kutuplar birbirini iter, zıt tür kutuplar birbirini çeker. Bir mıknatıs bölündüğünde tek başına yalnızca kuzey ya da yalnızca güney kutbu elde edilmez; her parça yine kuzey ve güney kutuplu küçük bir mıknatıs olur. Bu durum, mıknatısların iki kutuplu bir yapı göstermesiyle ilgilidir.

Bir mıknatısın çevresinde, başka mıknatısların veya hareketli yüklerin manyetik etkisini hissettiği bölgeye manyetik alan denir. Alan, manyetik alan çizgileriyle gösterilir. Bir noktadaki alan yönü, o noktaya konulan küçük bir pusula iğnesinin kuzey kutbunun göstereceği yöndür. Dış bölgede alan çizgileri mıknatısın kuzey kutbundan çıkar ve güney kutbuna yönelir; çizgilerin sıklaştığı yerlerde alanın daha güçlü olduğu anlaşılır. Örneğin bir çubuk mıknatısın kutuplarına yaklaştırılan iki mıknatısın kuzey kutupları karşı karşıya getirilirse itme, kuzey ve güney kutupları karşılaştırılırsa çekme gözlenir.

Manyetik etkinin temelinde elektrik yüklerinin hareketi bulunur. Atom içindeki elektronların hareketleri ve mıknatıslardaki mikroskobik akım etkileri, mıknatısın çevresinde alan oluşmasına katkı verir. Bu nedenle bir mıknatısın başka bir mıknatısa kuvvet uygulaması, alanın diğer mıknatıs içindeki hareketli yükler üzerinde etkili olmasıyla açıklanabilir. Manyetik maddeler ve mıknatıslanma konusu, bazı maddelerin bu alan etkisini nasıl kazandığını ayrıca ele alır.

Akımın oluşturduğu manyetik alan

Elektrik akımı, elektrik yüklerinin düzenli hareketidir ve hareket eden yükler çevrelerinde manyetik alan oluşturur. Bu nedenle manyetik alanın kaynağı yalnızca kalıcı mıknatıslar değildir; üzerinden akım geçen bir tel de çevresinde manyetik alan meydana getirir. Akımın büyüklüğü arttıkça oluşturulan alanın etkisi artar; telden uzaklaşıldıkça alanın etkisi azalır.

Düz bir telin çevresindeki manyetik alan çizgileri telin etrafında çemberler oluşturur. Alanın yönünü bulmak için sağ el kuralı kullanılır: Sağ elin başparmağı akım yönünü gösterdiğinde, kıvrılan parmaklar manyetik alan çizgilerinin yönünü gösterir. Akım sayfadan dışarı doğruysa alan çizgileri bir yönde, sayfaya doğruysa ters yönde dolaşır. Örneğin dikey bir telde akım yukarı doğru akıyorsa telin sağ tarafındaki alan yönü ile sol tarafındaki alan yönü birbirinin tersidir; çünkü alan çizgileri telin çevresinde kapalı çemberlerdir.

Bir akım halkası da düz telin alanlarının birleşmesiyle iki kutuplu bir manyetik alan oluşturur. Akım yönüne göre halkanın bir yüzü kuzey, diğer yüzü güney kutbu gibi davranır. Böylece elektromıknatısların çalışma fikri ortaya çıkar: Elektrik akımı olduğu sürece manyetik etki üretilebilir.

Manyetik alanda akım taşıyan tele etkiyen kuvvet

Manyetik alan içine yerleştirilen akım taşıyan bir tel, alanla etkileşerek kuvvet görebilir. Teldeki akım, hareket eden yüklerden oluştuğu için tel üzerindeki toplam etki, manyetik alanda hareket eden yüklerin kuvvetlerinin birleşimi olarak düşünülebilir. Kuvvetin büyüklüğü telden geçen akıma, manyetik alanın büyüklüğüne, alan içinde kalan tel uzunluğuna ve tel ile alan arasındaki açıya bağlıdır.

Kuvvetin temel bağıntısı F = BIL sin θ şeklindedir. Burada B manyetik alanı, I akımı, L alan içinde bulunan tel uzunluğunu, θ ise akım yönü ile manyetik alan arasındaki açıyı gösterir. Tel ile alan birbirine dik olduğunda sin θ = 1 olur ve kuvvet en büyük değerine ulaşır. Tel alanla paralel olduğunda sin θ = 0 olur; bu durumda manyetik kuvvet oluşmaz. Kuvvetin yönü, akım yönü ile manyetik alan yönüne göre sağ el kuralıyla belirlenir ve her iki yöne de diktir.

Örneğin yatay bir telden sağa doğru akım geçerken tel, aşağı yönlü düzgün bir manyetik alan içine konulursa tel üzerinde bir kuvvet oluşur. Alanın veya akımın yönü ters çevrilirse kuvvetin yönü de tersine döner. Akım taşıyan sıvıların manyetik alanda hareket ettirilmesi fikri de aynı kuvvet ilkesine dayanır; hareket eden yükler çevredeki maddeye momentum aktarabilir.

Manyetik alanda hareketli yüke etkiyen kuvvet

Manyetik alan, yalnızca hareket eden elektrik yüklerine kuvvet uygular. Durgun bir yük için manyetik kuvvet sıfırdır; yük hareket ediyorsa kuvvetin büyüklüğü yük miktarına, hızına, manyetik alanın büyüklüğüne ve hız ile alan arasındaki açıya bağlı olur. Bu etki, yükün hareket doğrultusunu değiştirebilir ancak ideal düzgün manyetik alanda hızın büyüklüğünü doğrudan değiştirmez.

Manyetik kuvvetin büyüklüğü F = qvB sin θ bağıntısıyla bulunur. Burada q yükün büyüklüğü, v hız, B manyetik alan ve θ hız vektörü ile manyetik alan arasındaki açıdır. Yük alan çizgilerine dik hareket ederse kuvvet en büyük olur. Yük alan çizgileri boyunca hareket ederse açı sıfır olur ve kuvvet oluşmaz. Kuvvet hem hız yönüne hem de manyetik alan yönüne dik olduğundan, hareketli yükün yolunu yana doğru saptırır. Pozitif yük için sağ el kuralıyla bulunan yön kullanılır; negatif yükte kuvvet yönü bunun tersidir.

Örneğin manyetik alana dik hızla giren pozitif bir parçacık, kuvvet sürekli hızına dik kaldığı için düz bir yol yerine bükülen bir yol izler. Hızın bir kısmı alan yönünde, bir kısmı alana dikse alan yönündeki bileşen etkilenmez; alana dik bileşen ise saptırılır. Böylece parçacığın alan çizgileri çevresinde ilerleyen sarmal bir hareket göstermesi mümkün olur. Yüklü parçacıkların yörünge ve hareket hesapları, bu kuvvetin oluşturduğu yolları ayrıntılı olarak inceler.

Manyetik akı

Manyetik akı, bir yüzeyden geçen manyetik alanın miktarını ifade eder. Alanın büyüklüğü tek başına yeterli değildir; yüzeyin alana göre yönelimi de önemlidir. Alan çizgileri yüzeye dik geçerse yüzeyden geçen akı en büyük olur. Alan çizgileri yüzeye paralel olursa yüzeyden geçen akı sıfırdır.

Düzgün manyetik alan ve düzlemsel bir yüzey için manyetik akı Φ = BA cos θ bağıntısıyla hesaplanır. Buradaki A yüzey alanı, B manyetik alan büyüklüğü, θ ise manyetik alan ile yüzeye dik çizilen normal arasındaki açıdır. Bu nedenle açı, alan ile yüzeyin kendisi arasında değil, alan ile yüzey normali arasında ölçülür. Örneğin manyetik alan yüzeyin normaline paralelse θ = 0° olur ve Φ = BA elde edilir; alan yüzeye paralelse θ = 90° olur ve akı sıfırlanır.

Akım geçen tel çerçeveye etkiyen tork

Manyetik alan içindeki akım geçen bir tel çerçevenin farklı kenarlarına farklı yönlerde manyetik kuvvetler etkiyebilir. Bu kuvvetlerin toplamı sıfır olsa bile kuvvetler aynı doğru üzerinde değilse çerçeve dönmeye çalışır. Bu dönme eğilimine tork denir. Tork, çerçevenin alanı, üzerinden geçen akım, sarım sayısı ve manyetik alanın büyüklüğü arttıkça artar.

Dikdörtgen bir akım çerçevesi için torkun büyüklüğü τ = N I A B sin θ bağıntısıyla verilir. N sarım sayısını, I akımı, A çerçevenin alanını, B manyetik alanı; θ ise çerçevenin alan vektörüyle manyetik alan arasındaki açıyı gösterir. Alan vektörü, çerçevenin düzlemine dik yönde ve sağ el kuralıyla belirlenir. θ = 90° olduğunda tork en büyük, θ = 0° olduğunda sıfırdır. Çerçeve, alan vektörünü manyetik alanla aynı doğrultuya getirecek şekilde dönme eğilimi gösterir.

Örneğin manyetik alan içine yerleştirilmiş ve üzerinden akım geçen dikdörtgen çerçevenin karşılıklı iki kenarında zıt yönlü kuvvetler oluşur. Bu kuvvetler çerçeveyi döndürür; çerçeve uygun konuma geldiğinde dönme eğilimi azalır. Elektrik motorlarında sürekli dönme elde edilmesi, akım çerçevesindeki bu manyetik torkun düzenli biçimde sürdürülmesine dayanır. Değişen manyetik akının elektrik akımı oluşturması ise elektromanyetik indüksiyonun konusudur.

Dünya’nın manyetik alanı

Dünya da çevresinde manyetik alan oluşturur; bu alan pusula iğnesinin yönlenmesini ve Güneş’ten gelen yüklü parçacıkların hareketini etkiler. Bu parçacıkların bir bölümü Dünya’nın manyetik alan çizgileri boyunca kutuplara yönelerek atmosferdeki tanecikleri ışık saçacak biçimde uyarabilir.