MANYETIK ALAN: YOĞUNLUK, ÖZELLIKLER, KAYNAKLAR, ÖRNEKLER - FIZIKSEL - 2025

Manyetik alan hareketli elektrik yüklerinin onları çevreleyen alanı olması etkisidir. Yüklerin her zaman bir elektrik alanı vardır, ancak yalnızca hareket halinde olanlar manyetik etkiler oluşturabilir.

Manyetizmanın varlığı uzun zamandır bilinmektedir. Eski Yunanlılar, küçük demir parçalarını çekebilen bir mineral tanımladılar: bu, kireç taşı veya manyetitti.

Şekil 1. Manyetit örneği. Kaynak: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Bilge Thales of Miletus ve Platon yazılarında manyetik etkiler kaydetmekle meşguldü; bu arada statik elektriği de biliyorlardı.

Ancak Hans Christian Oersted, pusulanın iletken bir telin çevresinde akım taşıyan bir tel çevresinde saptığını gözlemlediğinde, 19. yüzyıla kadar manyetizma elektrikle ilişkilendirilmedi.

Bugün elektrik ve manyetizmanın tabiri caizse aynı madalyonun iki yüzü olduğunu biliyoruz.

Fizikte manyetik alan

Fizikte manyetik alan terimi, modüllü (sayısal değeri), uzayda yön ve anlamda bir vektör miktarıdır. Aynı zamanda iki anlamı vardır. Birincisi, bazen manyetik indüksiyon olarak adlandırılan bir vektördür ve B ile gösterilir .

Uluslararası Birimler Sistemindeki B birimi, T olarak kısaltılmış tesla'dır. Manyetik alan olarak da adlandırılan diğer miktar , manyetik alan yoğunluğu olarak da bilinen ve birimi amper / metre olan H'dir .

Her iki miktar da orantılıdır, ancak manyetik malzemelerin kendilerinden geçen alanlar üzerindeki etkilerini hesaba katmak için bu şekilde tanımlanırlar.

Harici bir manyetik alanın ortasına bir malzeme yerleştirilirse, ortaya çıkan alan buna ve ayrıca malzemenin kendi manyetik tepkisine bağlı olacaktır. B ve H'nin şu şekilde ilişkilendirilmesinin nedeni budur :

B = μ _m H

Burada μ _m , malzemeye bağlı olan ve uygun birimleri olan bir sabittir, böylece H ile çarpıldığında sonuç tesla olur.

C

-Manyetik alan bir vektör büyüklüğüdür, dolayısıyla büyüklüğü, yönü ve anlamı vardır.

-Uluslararası Sistemdeki manyetik alan B'nin birimi tesla'dır ve T olarak kısaltılır ve H amper / metre'dir. Literatürde sıkça görülen diğer birimler gauss (G) ve oersted'tir.

-Manyetik alan çizgileri her zaman kapalı döngülerdir, bir kuzey kutbundan ayrılır ve bir güney kutbuna girer. Alan her zaman çizgilere teğettir.

-Manyetik kutuplar her zaman bir Kuzey-Güney çifti halinde sunulur. İzole edilmiş bir manyetik kutbun olması mümkün değildir.

-Her zaman elektrik yüklerinin hareketinden kaynaklanır.

-Şiddeti yükün büyüklüğü veya onu üreten akımla orantılıdır.

-Manyetik alanın büyüklüğü, mesafenin karesinin tersi ile azalır.

-Manyetik alanlar hem zamanda hem de uzayda sabit veya değişken olabilir.

-Manyetik alan, hareketli bir yüke veya akım taşıyan bir tele manyetik bir kuvvet uygulayabilir.

Bir mıknatısın kutupları

Bir çubuk mıknatıs her zaman iki manyetik kutba sahiptir: kuzey kutbu ve güney kutbu. Aynı işaretin kutuplarının ittiğini, farklı türlerdekilerin ise çekip gittiğini doğrulamak çok kolaydır.

Bu, elektrik yüklerinde olana oldukça benzer. Ayrıca, ne kadar yakın olurlarsa, birbirlerini çektikleri veya ittikleri kuvvetin o kadar büyük olduğu da gözlemlenebilir.

Çubuk mıknatısların belirgin bir alan çizgileri deseni vardır. Kuzey kutbundan ayrılıp güney kutbuna giren keskin virajlardır.

Şekil 2. Bir çubuk mıknatısın manyetik alan çizgileri. Kaynak: Wikimedia Commons.

Bu çizgilere bakmak için basit bir deney, demir talaşlarını bir kağıdın üzerine yaymak ve altına bir çubuk mıknatıs yerleştirmektir.

Manyetik alanın yoğunluğu, alan çizgilerinin yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak verilmiştir. Bunlar her zaman kutupların yakınında en yoğun olanlardır ve mıknatıstan uzaklaştıkça yayılırlar.

Mıknatıs aynı zamanda iki kutbun tam olarak kuzey ve güney manyetik kutupları olduğu bir manyetik dipol olarak da bilinir.

Ama asla ayrılamazlar. Mıknatısı ikiye bölerseniz, her biri ilgili kuzey ve güney kutuplarına sahip iki mıknatıs elde edersiniz. İzole kutuplara manyetik monopol denir, ancak bugüne kadar hiçbiri izole edilmemiştir.

Kaynaklar

Çeşitli manyetik alan kaynaklarından söz edilebilir. Manyetik minerallerden, büyük bir mıknatıs gibi davranan Dünya'nın kendisine ve elektromıknatıslara kadar uzanırlar.

Ancak gerçek şu ki, her manyetik alan, yüklü parçacıkların hareketinden kaynaklanır.

Daha sonra, tüm manyetizmanın ilkel kaynağının, atomun içindeki küçük akımlarda, esas olarak elektronların çekirdek etrafındaki hareketleri ve atomda bulunan kuantum etkileri nedeniyle üretilenlerde olduğunu göreceğiz.

Bununla birlikte, makroskopik kökeniyle ilgili olarak, doğal kaynaklar ve yapay kaynaklar düşünülebilir.

Doğal kaynaklar prensipte "kapanmaz", kalıcı mıknatıslardır, ancak ısının maddelerin manyetizmasını yok ettiği dikkate alınmalıdır.

Yapay kaynaklara gelince, manyetik etki bastırılabilir ve kontrol edilebilir. Bu nedenle bizde:

- Örneğin manyetit ve maghemit gibi manyetik minerallerden yapılmış, her ikisi de demir oksitler olan doğal kökenli mıknatıslar.

-Elektrik akımları ve elektromıknatıslar.

Manyetik mineraller ve elektromıknatıslar

Doğada, dikkat çekici manyetik özellikler sergileyen çeşitli bileşikler vardır. Örneğin, diğer mıknatısların yanı sıra demir ve nikel parçalarını da çekebilirler.

Manyetit ve maghemit gibi bahsedilen demir oksitler, bu sınıftaki maddelere örnektir.

Manyetik duyarlılık, kayaların manyetik özelliklerini ölçmek için kullanılan parametredir. Temel magmatik kayaçlar, yüksek manyetit içeriği nedeniyle en yüksek duyarlılığa sahip olanlardır.

Öte yandan, akımı taşıyan bir teliniz olduğu sürece, bununla ilişkili bir manyetik alan olacaktır. Burada, bir alan oluşturmanın başka bir yolu var, bu durumda tel ile eşmerkezli daireler biçimini alıyor.

Alanın hareket yönü sağ baş parmak kuralı ile verilir. Sağ elin başparmağı akıntı yönünü gösterdiğinde, kalan dört parmak alan çizgilerinin büküldüğü yönü gösterecektir.

Şekil 3. Manyetik alanın yönünü ve anlamını elde etmek için sağ başparmak kuralı. Kaynak: Wikimedia Commons.

Elektromıknatıs, elektrik akımlarından manyetizma üreten bir cihazdır. İsteğe bağlı olarak açılıp kapanma avantajına sahiptir. Akım kesildiğinde manyetik alan kaybolur. Ek olarak alan yoğunluğu da kontrol edilebilir.

Elektromıknatıslar, diğerleri arasında hoparlörler, sabit sürücüler, motorlar ve röleler dahil olmak üzere çeşitli cihazların bir parçasıdır.

Hareketli bir yük üzerindeki manyetik kuvvet

B manyetik alanının varlığı, v hızıyla hareket eden ve q denilen bir test elektrik yükü ile doğrulanabilir . Bunun için elektrik ve yerçekimi alanlarının varlığı en azından şu an için dışlanıyor.

Böyle bir durumda, F _B olarak gösterilen q yükünün maruz kaldığı kuvvet , tamamen alanın etkisinden kaynaklanmaktadır. Niteliksel olarak, aşağıdakiler gözlemlenir:

-F _B'nin büyüklüğü q ve bir v hızıyla orantılıdır.

-Eğer v manyetik alan vektörüne paralel olduğu, büyüklüğü F _B sıfırdır.

Alınmış manyetik kuvvet, her iki dik olan v ve B.

-Son olarak, manyetik kuvvetin büyüklüğü günah θ ile orantılıdır, burada θ hız vektörü ile manyetik alan vektörü arasındaki açıdır.

Yukarıdakilerin tümü hem pozitif hem de negatif ücretler için geçerlidir. Tek fark, manyetik kuvvetin yönünün tersine çevrilmiş olmasıdır.

Bu gözlemler, iki vektör arasındaki vektör çarpımı ile uyumludur, öyle ki, bir manyetik alanın ortasında v hızıyla hareket eden bir nokta yükü q tarafından deneyimlenen manyetik kuvvet :

F _B = q v x B

Kimin modülü:

Şekil 4. Bir pozitif nokta yükü üzerindeki manyetik kuvvet için sağ el kuralı. Kaynak: Wikimedia Commons.

Manyetik alan nasıl oluşturulur?

Örneğin birkaç yol var:

-Uygun bir maddeyi mıknatıslayarak.

- Elektrik akımını iletken bir telden geçirmek.

Ancak maddede manyetizmanın kaynağı, yüklerin hareketi ile ilişkilendirilmesi gerektiği hatırlanarak açıklanır.

Çekirdeğin yörüngesinde dönen bir elektron, esasen küçük bir kapalı akım devresidir, ancak atomun manyetizmasına önemli ölçüde katkıda bulunabilen bir devredir. Bir manyetik malzeme parçasında çok fazla elektron vardır.

Atomun manyetizmasına olan bu katkıya yörünge manyetik moment denir. Ancak dahası da var çünkü elektronun tek hareketi öteleme değil. Aynı zamanda, elektronun kendi ekseni üzerindeki dönüşüne benzeyen bir kuantum etkisi olan manyetik bir dönme momentine de sahiptir.

Aslında, manyetik dönme momenti, bir atomun manyetizmasının ana nedenidir.

Türleri

Manyetik alan, kendisini oluşturan akımların dağılımına bağlı olarak pek çok biçim alabilir. Sırasıyla, sadece uzayda değil, zamanda veya aynı anda her ikisinde de değişebilir.

-Elektromıknatısın kutuplarının yakınında yaklaşık olarak sabit bir alan vardır.

-Ayrıca bir solenoid içinde, eksenel eksen boyunca yönlendirilmiş alan çizgileri ile yüksek yoğunluklu ve tek tip bir alan elde edilir.

-Dünya'nın manyetik alanı, özellikle yüzeyin yakınında, bir çubuk mıknatısın alanına oldukça iyi yaklaşır. Daha uzakta, güneş rüzgarı elektrik akımlarını değiştirir ve onu fark edilir şekilde deforme eder.

-Akım taşıyan bir tel, tel ile eşmerkezli daireler şeklinde bir alana sahiptir.

Alanın zaman içinde değişip değişmeyeceği ile ilgili olarak, bizde:

- Zamanla ne büyüklükleri ne de yönleri değişmediğinde statik manyetik alanlar. Bir çubuk mıknatısın alanı, bu tür alanlara iyi bir örnektir. Ayrıca sabit akım taşıyan tellerden kaynaklananlar.

-Özelliklerinden herhangi biri zaman içinde değişiklik gösteriyorsa, zaman içinde değişen alanlar. Bunları elde etmenin bir yolu, manyetik indüksiyon fenomeninden yararlanan alternatif akım jeneratörlerinden elde edilir. Cep telefonları gibi yaygın olarak kullanılan birçok cihazda bulunurlar.

Biot-Savart yasası

Bir akım dağılımının ürettiği manyetik alanın şeklini hesaplamak gerektiğinde, 1820'de Fransız fizikçiler Jean Marie Biot (1774-1862) ve Felix Savart (1791-1841) tarafından keşfedilen Biot-Savart yasasından yararlanılabilir. ).

Basit geometrilere sahip bazı akım dağılımları için, manyetik alan vektörü için matematiksel bir ifade doğrudan elde edilebilir.

Bir elektrik akımı I taşıyan diferansiyel uzunlukta dl bir tel segmentimiz olduğunu varsayalım. Telin de bir boşlukta olduğu varsayılacaktır. Bu dağılımı üreten manyetik alan:

-Tele olan mesafenin karesinin tersi ile azalır.

-Tel içinden geçen akımın şiddeti ile orantılıdır.

-Tel üzerinde merkezlenen r yarıçapının çevresine teğet olan yönü ve yönü sağ başparmak kuralı ile verilmiştir.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Tm / A

- d B , bir manyetik alan diferansiyelidir.

- I telden geçen akımın yoğunluğudur.

- r, telin merkezi ile alanı bulmak istediğiniz nokta arasındaki mesafedir.

-r , telden alanı hesaplamak istediğiniz noktaya giden vektördür.

Örnekler

Aşağıda iki manyetik alan örneği ve bunların analitik ifadeleri bulunmaktadır.

Çok uzun doğrusal bir telin ürettiği manyetik alan

Biot-Savart yasası sayesinde, I akım taşıyan ince bir sonlu iletken telin ürettiği alan elde edilebilir.İletken boyunca bütünleşerek ve çok uzun olduğu sınırlayıcı durumu alarak, alanın büyüklüğü sonuç:

Helmholtz bobini tarafından oluşturulan alan

Helmholtz bobini, aynı akımın geçtiği iki özdeş ve eşmerkezli dairesel bobinden oluşur. İçinde yaklaşık olarak tek tip bir manyetik alan yaratmaya hizmet ederler.

Şekil 5. Helmholtz bobinlerinin şematiği. Kaynak: Wikimedia Commons.

Bobinin merkezindeki büyüklüğü:

Y eksenel eksen boyunca yönlendirilir. Denklemin faktörleri:

- N, bobinlerin dönüş sayısını temsil eder

- Ben akıntının büyüklüğü

- μ _o , vakumun manyetik geçirgenliğidir

- R, bobinlerin yarıçapıdır.

Referanslar

1. Figueroa, D. (2005). Seri: Bilim ve Mühendislik için Fizik. Cilt 1. Kinematik. Douglas Figueroa (USB) tarafından düzenlendi.
2. Manyetik alan şiddeti H . 230nsc1.phy-astr.gsu.edu adresinden kurtarıldı.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizik: Dünyaya Bir Bakış. 6. kısaltılmış baskı. Cengage Learning.
4. Manyetik Alan ve Manyetik Kuvvetler. Kurtarıldı: physics.ucf.edu.
5. Rex, A. 2011. Temel Fizik. Pearson.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Bilim ve Mühendislik için Fizik. Cilt 2. 7. Ed. Cengage Learning.
7. Vigo Üniversitesi. Manyetizma örnekleri. Kurtarıldı: quintans.webs.uvigo.es