Manyetizma, Manyetik Akı ve Manyetik Materyaller

Manyetik alanın yönü, iletkenden geçen akımın yönü ile belirlenen “Kuzey” ve “Güney” kutuplarına göre iletken etrafında küçük bir manyetik alan oluşur. Elektrik ve Elektronik Mühendisliğinde manyetizma önemli bir rol oynar çünkü onsuz röleler, solenoidler, indüktörler, bobinler, hoparlörler, motorlar, jeneratörler, transformatörler ve elektrik sayaçları gibi bileşenler manyetizma olmasaydı çalışmazdı.

Her tel bobini, içinden bir elektrik akımı geçtiğinde elektromanyetizmanın etkisini kullanır. Ancak Manyetizmaya ve özellikle Elektromanyetizmaya daha ayrıntılı bakmadan önce, mıknatısların ve manyetizmanın nasıl çalıştığına dair fizik sınıflarımıza geri dönmemiz gerekir.

Manyetizmanın Doğası

Mıknatıslar doğal bir halde manyetik cevher şeklinde bulunabilir. İki ana türü “demir oksit” olarak da adlandırılan Manyetit, ( FE3O4 ) ve “öncü taş” olarak da adlandırılan Lodestone’dur. Bu iki doğal mıknatıs bir ip parçasına asılırsa, Dünya’nın manyetik alanı her zaman kuzeyi gösterecek şekilde aynı hizada bir pozisyon alacaklardır.

Bu etkiye güzel bir örnek pusulanın ibresidir. Çoğu pratik uygulamada, manyetizmaları çok düşük olduğundan ve günümüzde insan yapımı yapay mıknatıslar birçok farklı şekil, boyut ve manyetik kuvvette üretilebildiğinden, bu doğal olarak oluşan mıknatıslar göz ardı edilebilir.

Temel olarak manyetizmanın iki biçimi vardır, “Kalıcı Mıknatıslar” ve “Geçici Mıknatıslar”, kullanılan tip uygulamaya bağlı olarak değişir. Mıknatıs yapmak için demir, nikel, nikel alaşımları, krom ve kobalt gibi birçok farklı malzeme türü mevcuttur ve nikel ve kobalt gibi bu elementlerin bazıları doğal hallerinde kendi başlarına çok zayıf manyetik miktarlar gösterirler.

Bununla birlikte, demir veya alüminyum peroksit gibi diğer malzemelerle karıştırıldığında veya “alaşımlandığında”, “alcomax”, “hycomax”, “alni” ve “alnico” gibi alışılmadık isimler üreten çok güçlü mıknatıslar haline gelirler.

Manyetik olmayan durumdaki manyetik malzeme, moleküler yapısına gevşek manyetik zincirler veya rastgele bir düzende gevşek bir şekilde düzenlenmiş ayrı küçük mıknatıslar şeklinde sahiptir. Bu tür bir düzenlemenin genel etkisi, her moleküler mıknatısın bu gelişigüzel düzenlemesi, komşusunu nötralize etme eğiliminde olduğundan sıfır veya çok zayıf manyetizma ile sonuçlanır.

Malzeme Mıknatıslandığında, moleküllerin bu rastgele düzeni değişir ve küçük hizalanmamış ve rastgele moleküler mıknatıslar, bir dizi manyetik düzenleme oluşturacak şekilde “sıralanır”. Ferromanyetik malzemelerin moleküler hizalanması fikri, Weber Teorisi olarak bilinir ve aşağıda gösterilmiştir.

Bir Demir Parçası ve Bir Mıknatısın Manyetik Molekül Hizalaması

Manyetizma
Bir Demir Parçası ve Bir Mıknatısın Manyetik Molekül Hizalaması

Weber’in teorisi, atom elektronlarının dönme hareketi nedeniyle tüm atomların manyetik özelliklere sahip olduğu gerçeğine dayanmaktadır. Atom grupları, manyetik alanlarının hepsi aynı yönde dönecek şekilde birleşir. Manyetik malzemeler, atomların etrafında moleküler düzeyde küçük mıknatıs gruplarından oluşur ve manyetize edilmiş bir malzeme, küçük mıknatıslarının çoğu, yalnızca bir yönde bir kuzey kutbu ve diğer yönde bir güney kutbu oluşturmak için bir yönde sıralanır. .

Benzer şekilde, küçük moleküler mıknatısları her yöne bakan bir malzeme, moleküler mıknatıslarını komşu mıknatısı tarafından nötralize edecek ve böylece herhangi bir manyetik etkiyi nötralize edecektir. Moleküler mıknatısların bu alanlarına “domain” adı verilir.

Herhangi bir manyetik malzeme, yörünge ve dönen elektronlar tarafından oluşturulan malzemedeki manyetik alanların hizalanma derecesine bağlı olan bir manyetik alan üretecektir. Bu hizalama derecesi, manyetizasyon, M olarak bilinen bir miktar ile belirlenebilir.

Manyetize edilmemiş bir malzemede, M = 0, ancak manyetik alan kaldırıldıktan sonra bazı alanlar malzemedeki küçük bölgeler üzerinde hizalı kalır. Malzemeye bir mıknatıslama kuvveti uygulamanın etkisi, sıfır olmayan bir mıknatıslanma değeri üretmek için bazı alanları hizalamaktır.

Mıknatıslama kuvveti kaldırıldıktan sonra, malzeme içindeki manyetizma, kullanılan manyetik malzemeye bağlı olarak ya kalır ya da hızla azalır. Bir malzemenin manyetizmasını muhafaza etme kabiliyetine Kalıcılık denir. Manyetizmalarını koruması gereken malzemeler oldukça yüksek kalıcılığa sahip olacaktır.

Manyetik Akı

Tüm mıknatıslar, şekilleri ne olursa olsun, manyetik kutuplar olarak adlandırılan iki bölgeye sahiptir ve hem manyetik devrenin içinde hem de çevresinde manyetizma, çevresinde belirli bir organize ve dengeli görünmez akı çizgileri zinciri oluşturur. Bu akı çizgilerine topluca mıknatısın “manyetik alanı” denir. Bu manyetik alanın şekli, bazı kısımlarda diğerlerinden daha yoğundur ve mıknatısın en büyük manyetizmaya sahip olduğu alana “kutuplar” denir. Bir mıknatısın her iki ucunda bir kutup bulunur.

Bu akı çizgileri (vektör alanı olarak adlandırılır) çıplak gözle görülemez ancak bir kağıda serpilmiş demir dolgular veya küçük bir pusula kullanarak onları izlemek için görsel olarak görülebilirler. Manyetik kutuplar her zaman çiftler halinde bulunur, mıknatısın her zaman Kuzey kutbu adı verilen bir bölgesi vardır ve her zaman Güney kutbu adı verilen zıt bir bölgesi bulunmaktadır.

Manyetik alanlar her zaman görsel olarak akı çizgilerinin daha yoğun ve yoğun olduğu malzemenin her iki ucunda belirli bir kutup veren kuvvet çizgileri olarak gösterilir. Yön ve şiddeti gösteren bir manyetik alan oluşturan çizgilere Kuvvet Çizgileri veya daha yaygın olarak “Manyetik Akı” denir ve aşağıda gösterildiği gibi Yunan sembolü Phi ( Φ ) verilir.

Çubuk Mıknatısların Manyetik Alanından Gelen Kuvvet Çizgileri

Manyetizma

Yukarıda gösterildiği gibi manyetik alan, akı çizgilerinin daha yakın aralıklı olması durumunda, mıknatısın kutuplarına yakın yerlerde en güçlüdür. Manyetik akı akışının genel yönü, Kuzey (N) ile Güney (S) kutbu arasındadır. Ayrıca bu manyetik çizgiler, mıknatısın kuzey kutbundan çıkıp güney kutbundan giren kapalı döngüler oluşturur. Manyetik kutuplar her zaman çifttir.

Bununla birlikte, manyetik akı aslında kuzeyden güney kutbuna akmaz veya bu konuda herhangi bir yere akmaz. Çünkü manyetik akı, manyetik kuvvetin var olduğu bir mıknatısın etrafındaki statik bir bölgedir. Başka bir deyişle, manyetik akı akmaz veya hareket etmez, sadece oradadır ve yerçekiminden etkilenmez. Kuvvet çizgileri çizerken bazı önemli gerçekler ortaya çıkıyor:

  • Kuvvet çizgileri ASLA kesişmez.
  • Kuvvet çizgileri SÜREKLİDİR.
  • Kuvvet çizgileri her zaman mıknatısın etrafında ayrı KAPALI DÖNGÜLER oluşturur.
  • Kuvvet hatlarının kuzeyden güneye kesin bir YÖNÜ vardır.
  • Birbirine yakın olan kuvvet çizgileri GÜÇLÜ bir manyetik alanı gösterir.
  • Birbirinden daha uzak olan kuvvet çizgileri, ZAYIF bir manyetik alanı gösterir.

Manyetik kuvvetler, elektrik kuvvetleri gibi çeker ve iter ve iki kuvvet çizgisi birbirine yaklaştırıldığında, iki manyetik alan arasındaki etkileşim iki şeyden birinin meydana gelmesine neden olur:

  1. – Komşu kutuplar aynı olduğunda (kuzey-kuzey veya güney-güney) birbirini iter.
  2. – Komşu kutuplar aynı olmadığında (kuzey-güney veya güney-kuzey) birbirini çeker.
    Bu etki, ünlü “zıtlar çeker” ifadesiyle kolayca hatırlanır ve manyetik alanların bu etkileşimi, bir mıknatısın etrafındaki kuvvet çizgilerini göstermek için demir dolgular kullanılarak kolayca gösterilebilir. Benzer kutupların birbirini itmesi ve farklı kutupların birbirini çekmesi gibi çeşitli kutup kombinasyonlarının manyetik alanları üzerindeki etkisi aşağıda görülebilir.

Benzer ve Farklı Kutupların Manyetik Alanı

Manyetizma

Bir pusula ile manyetik alan çizgileri çizildiğinde, kuvvet çizgilerinin kuzey kutbundan ayrılıp yeniden girdiği mıknatısın her iki ucunda belirli bir kutup verecek şekilde üretildiği görülecektir. Güney Kutbu. Manyetizma, manyetik malzemeyi ısıtarak veya çekiçleyerek yok edilebilir ancak yalnızca mıknatısı iki parçaya bölerek yok edilemez veya izole edilemez.

Yani normal bir çubuk mıknatısı alıp ikiye bölerseniz, bir mıknatısın iki yarısına sahip olmazsınız, bunun yerine kırılan her parçanın bir şekilde kendi Kuzey kutbu ve bir Güney kutbu olur. Bu parçalardan birini alıp tekrar ikiye bölerseniz, daha küçük parçaların her birinin bir Kuzey kutbu ve bir Güney kutbu olacak vb. Mıknatısın parçaları ne kadar küçülürse küçülsün, her parçanın yine de bir Kuzey kutbu ve bir Güney kutbu olacak,

O halde manyetizmadan elektrik veya elektronik hesaplamalarda yararlanabilmemiz için manyetizmanın çeşitli yönlerinin neler olduğunu tanımlamamız gerekir.

Manyetizmanın Büyüklüğü

Artık kuvvet çizgilerinin veya daha yaygın olarak manyetik bir malzemenin etrafındaki manyetik akıya, Wilhelm Eduard Weber’den sonra akı birimi Weber ( Wb ) olan Yunan sembolü Phi ( Φ ) verildiğini biliyoruz. Ancak belirli bir birim alandaki kuvvet çizgilerinin sayısına “Akı Yoğunluğu” denir ve akı ( Φ ) ( Wb ) ve alan ( A ) metre kare ( m2 ) cinsinden ölçüldüğünden, akı yoğunluğu bu nedenle Webers/Metre2 veya ( Wb/m2 ) ve B sembolü ile gösterilir.

Bununla birlikte, manyetizmada akı yoğunluğundan bahsederken, akı yoğunluğu Nikola Tesla’dan sonra Tesla’nın birimi verilir, bu nedenle bir Wb/m2, bir Tesla’ya eşittir, 1Wb/m2 = 1T. Akı yoğunluğu, kuvvet çizgileriyle orantılı ve alanla ters orantılıdır, dolayısıyla Akı Yoğunluğunu şu şekilde tanımlayabiliriz:

Manyetik Akı Yoğunluğu

Manyetizma
Manyetik Akı Yoğunluğu

Manyetik akı yoğunluğunun sembolü B’dir ve manyetik akı yoğunluğunun birimi Tesla, T’dir.

Manyetizma

Manyetizma Örnek

Yuvarlak bir manyetik çubukta mevcut olan akı miktarı 0.013 weber’de ölçülmüştür. Malzemenin çapı 12 cm ise akı yoğunluğunu hesaplayınız.

Manyetik malzemenin m2 cinsinden kesit alanı şu şekilde verilir:

Manyetizma

Manyetik akı 0.013 weber olarak verilmiştir, bu nedenle akı yoğunluğu şu şekilde hesaplanabilir:

Manyetizma

Böylece akı yoğunluğu 1,15 Tesla olarak hesaplanır.

Elektrik devrelerinde manyetizma ile uğraşırken, bir Tesla’nın bir manyetik alanın yoğunluğu olduğu ve manyetik alana dik açılarda 1 amper taşıyan bir iletkenin üzerinde bir Newton metre uzunluğunda bir kuvvete maruz kaldığı hatırlanmalıdır. Bir sonraki yazımızda elektromanyetizma konusuna giriş yapacağız.