MANYETIZMA: MALZEMELERIN MANYETIK ÖZELLIKLERI, KULLANIMLARI - FIZIKSEL - 2024

Manyetizma veya manyetik enerji kuvvet bağlantılı doğal hareketi ve bazı maddeleri yükler elektrik itme veya çekmeyi üretebilmektedir. Mıknatıslar, iyi bilinen manyetizma kaynaklarıdır.

Bunların içinde, örneğin küçük demir veya nikel parçalarına etki eden manyetik alanların varlığına çevrilen etkileşimler vardır.

Kuzey Işıklarının güzel renkleri, Dünya'nın manyetik alanı tarafından saptırılırken enerji yayan kozmik parçacıklardan kaynaklanmaktadır. Kaynak: Pixabay.

Bir mıknatısın manyetik alanı, üzerine demir parçacıklarının yayıldığı bir kağıdın altına yerleştirildiğinde görünür hale gelir. Talaşlar hemen alan çizgileri boyunca yönlendirilerek alanın iki boyutlu bir görüntüsünü oluşturur.

Bir diğer iyi bilinen kaynak, elektrik akımı taşıyan tellerdir; Ancak kalıcı mıknatısların aksine, akım durduğunda manyetizma kaybolur.

Bir yerde ne zaman bir manyetik alan oluşsa, bazı ajanların çalışması gerekiyordu. Bu işleme yatırılan enerji, oluşturulan manyetik alanda depolanır ve daha sonra manyetik enerji olarak kabul edilebilir.

Alanda ne kadar manyetik enerji depolandığının hesaplanması, cihazın alanına ve geometrisine veya oluşturulduğu bölgeye bağlıdır.

İndüktörler veya bobinler bunu yapmak için iyi yerlerdir ve bir kapasitörün plakaları arasında elektrik enerjisinin depolanmasıyla aynı şekilde manyetik enerji oluşturur.

Tarih ve keşif

Eski uygulamalar

Pliny'nin antik Yunanistan hakkında anlattığı efsaneler, 2000 yıldan daha uzun bir süre önce demir parçalarını çekebilen, ancak diğer malzemeleri çekmeyen gizemli bir mineral bulan çoban Magnes'ten bahsediyor. Güçlü manyetik özelliklere sahip bir demir oksit olan manyetitti.

Manyetik çekimin nedeni yüzlerce yıldır gizli kaldı. En iyi ihtimalle, doğaüstü olaylara atfedildi. Bu nedenle olmasa da, pusula gibi ilginç uygulamalar bulundu.

Çinliler tarafından icat edilen pusula, navigasyon sırasında kullanıcıyı yönlendirmek için Dünya'nın kendi manyetizmasını kullanıyor.

İlk bilimsel çalışmalar

Manyetik olayların incelenmesi William Gilbert (1544 - 1603) sayesinde büyük bir ilerleme kaydetti. Elizabeth döneminin bu İngiliz bilim adamı, küresel bir mıknatısın manyetik alanını inceledi ve Dünya'nın kendi manyetik alanına sahip olması gerektiği sonucuna vardı.

Mıknatıslarla ilgili çalışmasından ayrı manyetik kutuplar elde edemeyeceğini de anladı. Bir mıknatıs ikiye bölündüğünde, yeni mıknatısların her iki kutbu da vardır.

Bununla birlikte, bilim adamları elektrik akımı ile manyetizma arasındaki ilişkinin varlığını 19. yüzyılın başlarında fark ettiler.

Danimarka doğumlu Hans Christian Oersted (1777 - 1851), 1820'de elektrik akımını bir iletkenden geçirme ve bunun pusula üzerindeki etkisini gözlemleme fikrine sahipti. Pusula sapacak ve akıntı durduğunda pusula yine her zamanki gibi kuzeyi gösterecekti.

Bu fenomen, marş motoru çalıştırılırken pusulayı araç aküsünden çıkan kablolardan birine yaklaştırarak doğrulanabilir.

Devrenin kapatılması sırasında, arabaların pilleri pusulanın sapmasına neden olacak kadar yüksek akımlar sağlayabildiğinden, iğnede gözlemlenebilir bir sapma görülmelidir.

Bu şekilde, hareketli yüklerin manyetizmaya neden olan şey olduğu ortaya çıktı.

Modern araştırmalar

Oersted'in deneylerinden birkaç yıl sonra, İngiliz araştırmacı Michael Faraday (1791 - 1867), değişen manyetik alanların elektrik akımlarına neden olduğunu keşfederek başka bir kilometre taşına işaret etti.

Her iki fenomen, elektrik ve manyetik, birbiriyle yakından ilişkilidir ve her biri diğerine yol açar. Faraday'ın öğrencisi James Clerk Maxwell (1831 - 1879) tarafından ismini taşıyan denklemlerde bir araya getirildi.

Bu denklemler elektromanyetik teoriyi içerir ve özetler ve relativistik fizik içinde bile geçerlidir.

Malzemelerin manyetik özellikleri

Neden bazı malzemeler manyetik özellikler sergiliyor veya kolayca manyetizma kazanıyor? Manyetik alanın hareketli yüklerden kaynaklandığını biliyoruz, bu nedenle mıknatısın içinde manyetizmaya neden olan görünmez elektrik akımları olması gerekir.

Tüm maddeler atom çekirdeğinin etrafında dönen elektronları içerir. Elektron, Güneş etrafında ötelenme hareketi ve aynı zamanda kendi ekseni etrafında dönme hareketi olan Dünya ile karşılaştırılabilir.

Klasik fizik, benzer hareketleri elektrona bağlar, ancak analoji tamamen doğru değildir. Bununla birlikte, önemli olan nokta, elektronun her iki özelliğinin de elektronun manyetik alan yaratan küçük bir döngü gibi davranmasını sağlamasıdır.

Atomun manyetik alanına en çok katkıda bulunan elektronun dönüşüdür. Çok elektronlu atomlarda, çiftler halinde ve zıt dönüşlerle gruplanırlar. Böylece manyetik alanları birbirini yok eder. Malzemelerin çoğunda olan budur.

Bununla birlikte, eşleşmemiş bir elektronun bulunduğu bazı mineraller ve bileşikler vardır. Bu şekilde net manyetik alan sıfır değildir. Bu, büyüklüğü akımın ve devrenin alanının ürünü olan bir vektör olan manyetik bir moment yaratır.

Bitişik manyetik momentler birbirleriyle etkileşime girer ve birçok dönüşün aynı yönde hizalandığı manyetik alanlar adı verilen bölgeler oluşturur. Ortaya çıkan manyetik alan çok güçlüdür.

Ferromanyetizma, paramanyetizma ve diyamanyetizma

Bu kaliteye sahip malzemelere ferromanyetik denir. Bunlar birkaçıdır: demir, nikel, kobalt, gadolinyum ve bunların bazı alaşımları.

Periyodik tablodaki diğer elementler bu çok belirgin manyetik etkilerden yoksundur. Paramanyetik veya diyamanyetik kategorisine girerler.

Aslında, diyamanyetizma, harici bir manyetik alanın varlığında hafif bir itme yaşayan tüm materyallerin bir özelliğidir. Bizmut, en çok vurgulanan diyamanyetizmaya sahip elementtir.

Öte yandan, paramanyetizma, ferromanyetizmadan daha az yoğun bir manyetik tepkiden oluşur, ancak aynı derecede çekicidir. Paramanyetik maddeler örneğin alüminyum, hava ve götit gibi bazı demir oksitlerdir.

Manyetik enerjinin kullanımı

Manyetizma, doğanın temel güçlerinin bir parçasıdır. İnsanlar da bunun bir parçası olduğundan, manyetik fenomenlerin varlığına ve gezegendeki geri kalan yaşamın varlığına adapte olmuşlardır. Örneğin, bazı hayvanlar kendilerini coğrafi olarak yönlendirmek için Dünya'nın manyetik alanını kullanır.

Aslında kuşların, beyinlerinde jeomanyetik alanı algılamalarına ve kullanmalarına imkan veren bir tür organik pusulaya sahip olmaları sayesinde uzun göçlerini gerçekleştirdiklerine inanılıyor.

İnsanların böyle bir pusulası olmasa da, çevreyi hayvanlar aleminin geri kalanından çok daha fazla şekilde değiştirme yeteneğine sahipler. Böylece, türümüzün üyeleri, ilk Yunan çobanının kereste taşını keşfettiği andan itibaren manyetizmayı kendi yararlarına kullandılar.

Bazı manyetik enerji uygulamaları

O zamandan beri birçok manyetizma uygulaması var. Burda biraz var:

- Kendini coğrafi olarak yönlendirmek için Dünya'nın jeomanyetik alanını kullanan yukarıda bahsedilen pusula.

- Manyetik alanlar üreten bobinler kullanan katot ışın tüpüne dayanan televizyonlar, bilgisayarlar ve osiloskoplar için eski ekranlar. Bunlar, elektron ışınının ekranın belirli yerlerine çarpması ve böylece görüntüyü oluşturması için saptırılmasından sorumludur.

- Çeşitli molekül türlerini incelemek için kullanılan ve biyokimya, kriminoloji, antropoloji, tarih ve diğer disiplinlerdeki birçok uygulamada kullanılan kütle spektrometreleri. Hızlarına bağlı olarak yörüngelerde yüklü parçacıkları saptırmak için elektrik ve manyetik alanlardan yararlanırlar.

- Manyetik bir kuvvetin, bir deniz suyu jetini (iyi bir iletken) geriye doğru ittiği manyetohidrodinamik itme, böylece Newton'un üçüncü yasasına göre, bir araç veya tekne ileri bir itme alır.

- Manyetik rezonans görüntüleme, insan vücudunun iç kısmının görüntülerini elde etmek için invazif olmayan bir yöntem. Temel olarak, çok yoğun bir manyetik alan kullanır ve yukarıda belirtilen spin özelliğine sahip dokularda bulunan hidrojen çekirdeklerinin (protonlar) tepkisini analiz eder.

Bu uygulamalar halihazırda oluşturulmuştur, ancak gelecekte manyetizmanın, manyetik olarak indüklenen ısı üreten hipertermik teknikler yoluyla meme kanseri gibi hastalıklarla da savaşabileceğine inanılmaktadır.

Buradaki fikir, sıvı manyetiti doğrudan tümöre enjekte etmektir. Manyetik olarak indüklenen akımların ürettiği ısı sayesinde, demir parçacıkları kötü huylu hücreleri yok edecek kadar ısınırdı.

Avantajlar ve dezavantajlar

Belirli bir enerji türünün kullanımını düşündüğünüzde, bunun bir türbin, asansör veya araç gibi bir tür harekete dönüştürülmesini gerektirir; veya bazı cihazları (telefonlar, televizyonlar, ATM ve benzeri gibi) çalıştıran elektrik enerjisine dönüştürüldüğünü.

Enerji, birçok yönden değiştirilebilen çoklu tezahürleri olan bir büyüklüktür. Küçük bir mıknatısın enerjisi, sürekli olarak birkaç madeni paradan daha fazla hareket edecek şekilde yükseltilebilir mi?

Kullanılabilir olması için, enerjinin geniş bir menzile sahip olması ve çok bol bir kaynaktan gelmesi gerekir.

Birincil ve ikincil enerjiler

Bu tür enerjiler, diğer türlerin üretildiği doğada bulunur. Birincil enerjiler olarak bilinirler:

- Güneş enerjisi.

- Atomik Enerji.

- Jeotermal enerji.

- Rüzgar gücü.

- Biyokütle enerjisi.

- Fosil yakıtlardan ve minerallerden enerji.

Bunlardan elektrik ve ısı gibi ikincil enerjiler üretilir. Manyetik enerji burada nerede?

Elektrik ve manyetizma iki ayrı fenomen değildir. Aslında, ikisi birlikte elektromanyetik fenomen olarak bilinir. Biri var olduğu sürece diğeri de var olacaktır.

Elektrik enerjisinin olduğu yerde, bir biçimde manyetik enerji olacaktır. Ancak bu, birincil enerjilerin bazılarının önceden dönüşümünü gerektiren ikincil bir enerjidir.

Birincil ve ikincil enerjilerin özellikleri

Bir tür enerji kullanmanın avantajları veya dezavantajları birçok kritere göre belirlenir. Bunlar, üretiminin ne kadar kolay ve ucuz olduğunu ve ayrıca sürecin çevreyi ve insanları ne kadar olumsuz etkileyebileceğini içerir.

Akılda tutulması gereken önemli bir şey, enerjilerin kullanılmadan önce birçok kez dönüştüğüdür.

Alışveriş listesini buzdolabı kapısına yapıştıracak mıknatısı yapmak için kaç dönüşüm gerçekleşmiş olmalıdır? Elektrikli araba kaç kişi yapılır? Kesinlikle yeterli.

Ve manyetik veya elektromanyetik enerji ne kadar temiz? İnsan kaynaklı elektromanyetik alanlara sürekli maruz kalmanın sağlık ve çevre sorunlarına neden olduğuna inananlar var.

Şu anda, bu alanların sağlık ve çevre üzerindeki etkisini incelemeye adanmış çok sayıda araştırma vardır, ancak prestijli uluslararası kuruluşlara göre, zararlı olduklarına dair şimdiye kadar kesin bir kanıt yoktur.

Manyetik enerji örnekleri

Manyetik enerjiyi tutmaya yarayan bir cihaz, indüktör olarak bilinir. Bakır telin yeterli sayıda tur sarılmasıyla oluşan bir bobindir ve birçok devrede akımı kısıtlamak ve aniden değişmesini engellemek için faydalıdır.

Bakır sargı. Kaynak: Pixabay.

Bir bobinin dönüşleri boyunca bir akım dolaştırılarak, içinde bir manyetik alan yaratılır.

Akım değişirse, manyetik alan çizgileri de değişir. Faraday-Lenz indüksiyon yasasına göre, bu değişiklikler, kendilerine karşı gelen dönüşlerde bir akımı indükler.

Akım aniden arttığında veya azaldığında bobin buna karşı çıkar, bu nedenle devre üzerinde koruyucu etkileri olabilir.

Bir bobinin manyetik enerjisi

Manyetik enerji, bobinin dönüşleri ile sınırlandırılan hacimde oluşturulan ve U _B olarak ifade edilecek olan ve şunlara bağlı olan manyetik alanda depolanır :

- Manyetik alanın yoğunluğu B.

- Bobin A'nın kesit alanı.

- Bobinin uzunluğu l.

- Vakumun geçirgenliği μ _o.

Aşağıdaki şekilde hesaplanır:

Bu denklem, manyetik alanın olduğu herhangi bir uzay bölgesinde geçerlidir. Bu bölgenin hacmi V, geçirgenliği ve alanın yoğunluğu biliniyorsa, ne kadar manyetik enerjiye sahip olduğunu hesaplamak mümkündür.

Egzersiz çözüldü

2,0 cm çapında ve 26 cm uzunluğunda hava ile doldurulmuş bir bobin içindeki manyetik alan 0,70 T'dir. Bu alanda ne kadar enerji depolanır?

Çözüm

Sayısal değerler, değerleri Uluslararası Sistemin birimlerine dönüştürmeye özen gösterilerek önceki denklemde yer değiştirmiştir.

1. Giancoli, D. 2006. Fizik: Uygulamalı Prensipler. Altıncı baskı. Prentice Hall. 606-607.
2. Wilson, JD 2011. Fizik 12. Pearson. 135-146.