Elektromanyetizma

Kalıcı mıknatıslar iyi ve bazen çok güçlü bir statik manyetik alan üretirken, bazı uygulamalarda bu manyetik alanın gücü hala çok zayıftır. Mevcut manyetik akı miktarını kontrol edebilmemiz gerekir. Dolayısıyla çok daha güçlü ve daha kontrol edilebilir bir manyetik alan üretebilmek için elektrik kullanmamız gerekiyor.

Demir çekirdek gibi yumuşak bir manyetik malzemenin etrafına sarılmış veya sarılmış tel bobinleri kullanarak, birçok farklı elektrik uygulamasında kullanım için çok güçlü elektromıknatıslar üretebiliriz. Tel bobinlerinin bu kullanımı, bize Elektromanyetizma adı verilen başka bir manyetizma biçimi olan elektrik ve manyetizma arasında bir ilişki üretir.

Elektromanyetizma, bir elektrik akımı, bir tel veya kablo uzunluğu gibi basit bir iletkenden aktığında üretilir ve akım, iletkenin tamamı boyunca geçerken, iletkenin tamamı boyunca bir manyetik alan oluşturulur. İletken etrafında oluşturulan küçük manyetik alan, iletken boyunca akan elektrik akımının yönü tarafından belirlenen hem “Kuzey” hem de “Güney” kutupları ile belirli bir yöne sahiptir. Bu nedenle, iletkenden akan akım ile çevresinde oluşan bu akım akışı tarafından üretilen manyetik alan arasında bir ilişki kurmak, Elektrik ve Manyetizma arasındaki ilişkiyi Elektromanyetizma şeklinde tanımlamamıza izin vermek gerekir.

Bir iletkenden elektrik akımı geçtiğinde, iletkenin tüm uzunluğu boyunca geçmeyen tam döngüler oluşturan manyetik akı çizgileri ile çevresinde dairesel bir elektromanyetik alan üretildiğini belirledik.

Bu manyetik alanın dönüş yönü, iletkenden akan akımın yönü tarafından yönetilir ve üretilen ilgili manyetik alan, akım taşıyan iletkenin merkezine yakın daha güçlüdür. Bunun nedeni, ilmeklerin yol uzunluğunun iletkenden uzaklaştıkça daha büyük olması ve aşağıda gösterildiği gibi daha zayıf akı hatlarıyla sonuçlanmasıdır.

Bir İletkenin Etrafındaki Manyetik Alan

İletkenin etrafındaki manyetik alanın yönünü belirlemenin basit bir yolu, sıradan bir ahşap vidayı bir kağıda vidalamayı düşünmektir. Vida kağıda girerken dönme hareketi SAAT YÖNÜNDE gerçekleşir ve vidanın kağıdın üzerinde görünen tek kısmı vida başıdır.

Ahşap vidası pozidriv veya philips tipi kafa tasarımına sahipse, kafadaki çarpı görünür olacaktır. Bu çarpı, akımın kağıda “içine” ve gözlemciden uzağa aktığını belirtmek için kullanılır.

Aynı şekilde, vidayı çıkarma eylemi de saat yönünün tersidir. Akım üstten girdiği için kağıdın altından çıkar ve ahşap vidanın aşağıdan görünen tek kısmı vidanın ucu veya noktasıdır. Bu nokta, akımın “dışarı” aktığını belirtmek için kullanılır.

Daha sonra, ağaç vidasının kağıdın içine ve dışına vidalanmasının fiziksel eylemi, iletkendeki akımın yönünü ve dolayısıyla, aşağıda gösterildiği gibi etrafındaki elektromanyetik alanın dönme yönünü gösterir. Bu kavram genel olarak Right Hand Screw olarak bilinir.

Right Hand Screw

Manyetik alan, kuzey ve güney olmak üzere iki kutbun varlığını ima eder. Akım taşıyan bir iletkenin polaritesi, S ve N büyük harfleri çizilerek ve ardından manyetik alan yönünün görsel bir temsilini veren yukarıda gösterildiği gibi harflerin serbest ucuna ok başları eklenerek belirlenebilir. Hem akım akışının yönünü hem de iletken etrafında oluşan manyetik akının yönünü belirleyen daha tanıdık bir başka kavram da “Sol El Kuralı” olarak adlandırılır.

Bir manyetik alanın tanınan yönü, kuzey kutbundan güney kutbuna doğrudur. Bu yön, akım taşıyan iletkeni sol elinizde tutarak, başparmak uzatılmış elektron akışı yönünü negatiften pozitife doğru tutarak çıkarılabilir.

İletken boyunca ve çevresinde uzanan parmakların konumu, şimdi gösterildiği gibi oluşturulan manyetik kuvvet çizgilerinin yönünü gösterecektir.

İletkenden geçen elektronun yönü ters ise, sol elin başparmak elektron akımı akışının yeni yönünü gösterecek şekilde iletkenin diğer tarafına yerleştirilmesi gerekecektir. Ayrıca akım tersine çevrildikçe iletken etrafında oluşan manyetik alanın yönü de ters olacaktır çünkü daha önce de söylediğimiz gibi manyetik alanın yönü akımın akış yönüne bağlıdır.

Bu “Sol El Kuralı”, bir elektromanyetik bobindeki kutupların manyetik yönünü belirlemek için de kullanılabilir. Bu sefer, parmaklar elektron akışının negatiften pozitife doğru yönünü gösterirken, uzatılmış başparmak kuzey kutbunun yönünü gösterir. Bu kuralın “sağ el kuralı” olarak adlandırılan ve geleneksel akım akışına (pozitiften negatife) dayanan bir varyasyonu vardır.

Aşağıda gösterildiği gibi tek bir düz tel parçasının tek bir ilmek şeklinde büküldüğünü düşünün. Elektrik akımı, iletkenin tüm uzunluğu boyunca aynı yönde akmasına rağmen, kağıttan zıt yönlerde akacaktır. Bunun nedeni, akımın kağıdı bir taraftan terk edip diğer taraftan kağıda girmesidir. Bu nedenle kağıt yaprağı boyunca yan yana saat yönünde bir alan ve saat yönünün tersine bir alan üretilir.

Bu iki iletken arasında ortaya çıkan boşluk, kuvvet çizgilerinin kesişme noktasında belirgin bir kuzey ve güney kutbu oluşturan bir çubuk mıknatıs şeklini alacak şekilde yayıldığı “yoğunlaştırılmış” bir manyetik alan haline gelir.

Bir Döngü Etrafında Elektromanyetizma

Döngünün iki paralel iletkeninden akan akım, döngüden geçen akım sol taraftan çıkıp sağ taraftan geri döndüğü için zıt yönlerdedir. Bu, döngü içindeki her bir iletkenin etrafındaki manyetik alanın birbirine “AYNI” yönde olmasına neden olur.

Döngüden akan akımın ürettiği sonuçta oluşan kuvvet çizgileri, iki benzer kutbun birleştiği iki iletken arasındaki boşlukta birbirine zıt düşer ve böylece gösterildiği gibi her bir iletkenin etrafındaki kuvvet çizgilerini deforme eder.

Bununla birlikte iki iletken arasındaki manyetik akının bozulması, kuvvet çizgileri birbirine daha yakın hale geldiğinde orta bağlantıdaki manyetik alanın yoğunluğuna neden olur. İki benzer alan arasında ortaya çıkan etkileşim, birbirlerinden uzaklaşmaya çalışan iki iletken arasında mekanik bir kuvvet üretir. Bir elektrik makinesinde bu iki manyetik alanın bu itilmesi hareket üretir.

Bununla birlikte iletkenler hareket edemediğinden, iki manyetik alan bu etkileşim hattı boyunca bir kuzey ve bir güney kutbu oluşturarak birbirine yardımcı olur. Bu manyetik alanın iki iletken arasında ortada en güçlü olmasına neden olur. İletkenin etrafındaki manyetik alanın yoğunluğu, iletkenden uzaklık ve içinden geçen akımın miktarı ile orantılıdır.

Düz bir uzunluktaki akım taşıyan telin etrafında oluşturulan manyetik alan, içinden yüksek akım geçse bile çok zayıftır. Bununla birlikte, eğer telin birkaç ilmeği aynı eksen boyunca birbirine sarılırsa, bir tel bobini üretilirse, ortaya çıkan manyetik alan, tek bir ilmeğe göre daha da yoğun ve daha güçlü hale gelecektir. Bu, daha yaygın olarak Solenoid olarak adlandırılan bir elektromanyetik bobin üretir.

O zaman her uzunluktaki tel, içinden bir elektrik akımı geçtiğinde kendi etrafında elektromanyetizma etkisine sahiptir. Manyetik alanın yönü, akımın akış yönüne bağlıdır. Telin uzunluğunu bir bobin haline getirerek üretilen manyetik alanın gücünü artırabiliriz ve bu etkiye bir sonraki yazıda daha detaylı bakacağız.