MIKNATISLIK ALANI

MIKNATISLIK ALANI
Mıknatıslık. İlk gözlenen mıknatıslık olayları, her halde, doğal mıknatıs denilen ve Magnezya (veya Manisa) yakınlarında rastlanan bir demir filizi ile gözlenen olaylardır. Bu tabiî mıknatıs taş¬larının mıknatıslanmamış demiri çekme özelliği vardır ki, bu özelik mıknatısın kutup denilen bölgelerinde çok daha açık olarak gözlenir. Çinlilerin daha Milâdi 121 yıllarında, doğal bir mıknatıs yanına konulan bir demir çubuğun doğal mıknatısların bu özelliğini edindiğini; ye onu uzun zaman koruduğunu ve öylece meselâ mıknatıslanmış bir de¬mir çubuk ortasından bir iple asılarak serbestçe bırakılacak olursa yaklaşık olarak kuzey-güney doğrultusunda yöneldiğini bilmekte idiler. Mıknatıslanıl gemicilikte yön bulmak için kullanılması 11. yüzyıl ya¬kınlarında başlamıştır.
Mıknatıslık olaylarının incelenmesi uzun zaman bu yoldan elde edilmiş mıknatıslar ile oldu. Ancak 1819 yılında elektrik olayları ile mıknatıslık olayları arasında bir bağlantı bulunduğu ortaya çıktı. O yıl Danimarkalı fen adamı Hana Christian Oersted (1770-1851) bir iğne üzerine oturtulan bir mıknatısın {bir puslu iğnesi) akım geçiren .bir iletkenin yakınında bulununca kuzey-güney doğrultusunda ayrıl¬dığını gözledi. Bundan 12 yıl sonra, Faraday uzun süren, birçok ça¬lışmalar sonunda içinde üreteç bulunmayan bîr iletken devresinin ya¬kınlarında bulunan ikinci bir devreden geçen akımda bir değişiklik yapılırsa, birinci devrede geçici bir akım meydana geldiğini gördü. Bundan az.sonra bir mıknatısın bir devreye yaklaştırılın ası veya bu devreden uzaklaştırılması ile devre içinde aynı etkinin gözlendiği, yani kısa süreli bir akım meydana geldiği tesbit edildi. Amerikalı fenci Joseph Henry (1797-1873) Faraday’ın vardığı sonucu ondan 12 ay önce görmüş fakat bu husustaki yayını daha önce Faraday yapmış olduğu için olayı bulmanın şerefi ona gitmiştir. Böylece Oersted’in yaptığı çalışma elektrik yüklerinin hareketi ile mıknatıslık etkilerinin meydana gelebileceğini göstermiş ve Faraday ile Henry’rinin çalışmaları da, bir mıknatısı bir devre yakınlarında hareket ettirmekle elektrik akımının meydana getirilebileceğini göstermiştir.
Bugün mıknatıslık olayları dediğimiz olayların hareket halinde bulunan elektrik yükleri arasındaki kuvvetlerden doğduğuna inanıl¬maktadır. Başka bir deyimle, hareket halinde bulunan, yükler birbir¬lerine Coulomb kanununun verdiği “elektrik” veya “elektrostatik” kuvvetlerden başka ve onlara ilâve olarak “magnetik” kuvvetler etki¬lerler. Atomlar içinde bulunan elektronlar atom çekirdeklerini etra¬fında bir dolanma hareketi yaptıklarına ve bundan başka elektronlarda kendi eksenleri üzerinde döndüklerine göre, bütün atomların mıknatıslık etkileri göstermelerim bekleyebiliriz; gerçekten, bunun doğru olduğu gözlenmektedir. Maddenin mıknatıslık özelliklerinin atomlar ölçüsünde küçük akımlardan meydana gelebileceği düşüncesi, ilk defa 1820 yılında Ampere tarafından ileri sürülmüştür. Fakat bu düşüncenin doğrulan¬ması son yıllara kadar mümkün olmamıştır.
Elektrostatik kuvvetler halinde olduğu gibi, yüklerin içinde hareket halinde bulundukları ortamın gözlenen mıknatıslık kuvvetlerine bir etkisi olur. Bu bakımdan bu Bölüm içinde yüklerin veya yük ta¬şıyan iletkenlerin boş uzay içinde bulunduğunu kabul edeceğiz. Elde ettiğimiz sonuçlar, pratik haller için havada bulunan iletkenler veya hava içinde hareket eden yükler için de doğru olacaklar.
Mıknatıslık Alanı. Mıknatıslık kuvvetlerinin incelenmesinde hareket halindeki yüklerin karşılıklı etkilerini inceleyecek yerde, yük¬lerden birinin çevresinde bir mıknatıslık alanı meydana getirdiğini ve bu alan vasıtası ile öteki hareketli yükü etkilediğini kabul etmek büyük kolaylıklar sağlamaktadır. Hareketli yükün meydana getirdiği bu mık¬natıslık alanı, yük hareket halinde bulunsun veya bulunmasın her zaman meydana gelen elektrostatik alandan farklıdır ve ona katılan bir alan¬dır. Böylece her iki alanın da bulunduğu bir bölge içinde hareket eden yüklü bir parçacık, hareket halinde olsa da olmasa da, elektrik alanının etkisi altında kalacaktır. Magnetik alan ise yüklü parçacık hareket halinde bulunduğu zaman ancak kendini gösterir. O halde, bir yerde (elektrostatik kuvvetlerden başka ve onlara katılan) hareket halinde bulunan elektrik yüklerine etkiyen kuvvetler varsa orada bir magnetik alan vardır.
Harekette bulunan yükler veya akımlar tarafından meydana geti¬rilen elektrik alanı, birçok hallerde, o kadar küçüktür ki, hareket halinde bulunan bir yüke etkiyen elektrostatik kuvvet magnetik kuvvetin ya¬nında tamamen ihmal edilebilir.
Verilen bir noktadaki magnetik alan elektron demetini yolundan kaptıracaktır. Katot ışınlan tüpünü döndürmekle, hiç bir sapmanın bulunmadığı bir doğrultu bulmak mümkündür. Böylece hareketli yüklü parçacıkların hiç bir saptırıcı kuvvete uğramadığı doğrultuya magnetik alan doğrultusu denir.
Bu kuvvetin büyüklüğünün, elek¬tronun hm ile doğru oranlı olduğu tesbit edilmiştir. Hareketli yükün v hızı, alan doğrultusuna dik değil, fakat onunla  gibi bir açı yapmakta ise, o zaman v hız vektörü iki bileşene ayrılabilir: Alan doğrultusundaki v cos  bileşeni, ve alana dik doğrultudaki v sin  bileşeni. Bu genel halde, hareket halimle bulunan yüke etkiyen, kuv¬vet, hem magnetik alana hem de v sin  bileşenine diktir ve büyüklüğü v sin  ile oranlıdır.
 
Şekil 1. v hızı ile hareket eden q yüklü bir parçacığa etkiyen F kuvveti, magnetik alana ve v sin  niceliğine diktir.
Bu denel gözlemlerden magnetik indüksiyon denilen bir vektörel nicelik tanımlayabiliriz ki, bu nicelik elektrik alanlarını belirleyen E vektörü gibi magnetik alanı belirlesin. B ile gösterilen magnetik indüksiyonun herhangi bir noktadaki değeri,
B =
ile tanımlanır, burada q hareket halinde bulunan yükün büyüklüğü, v hızı,  ise v ile magnetik alan doğrultusu arasındaki açıdır. Formülde F ile gösterilen kuvvet hareketli, yüke, dikkate aldığımız noktada etkiyen kuvvettir.
Bu formülde F newton, q coulomb ve v metre/sa olarak alınacak olursa, B weber/m2 olarak çıkar.
Buna göre, bir weber bolü metre karelik magnetik indüksiyon, Bu alan içinde, bir coulomb değerinde bir yükün, alana dik olan hız bile¬şeni (v sin ) bir metre bölü saniye olduğu zaman, bir newton’luk bir kuvvet etkisi altında bırakan magnetik indüksiyon şiddetidir. Demek ki,
1 weber/m2 = 1 newton / (coul.m/sn)
veya, bir coulomb bölü saniye bir ampere eşit olduğuna göre,
1 weber/m2 = 1 newton / amp m
olur. Cgs, birimleri sisteminde B maxwvell bölü santimetre kare veya gauss ile ölçülür. Kolayca gösterilebileceği gibi.
1 gauus = 1 maxwell/m2 = 10-4 weber/2
veya
1 weber/m2 = 104 gauss
olur.
Laboratuvarlarda elde edilebilen en büyük magnetik indüksîyon 10w/m2 veya 100000 gauss basamağında dır. Bunun, yanında yerin magnetik alanının indüksiyon vektörü bir weber bölü metre karenin yüzbinde birkaçı veya bir gauss’un onda birkaçı kadardır.
Yüklü Parçacıkların Bir Magnetik Alanı İçindeki Yörüngeleri
Pozitif yüklü bir parçacığın, akı yoğunluğu B olan düzgün bir magnetik alan içine, O noktasından bir y hızı ile girmiş olduğunu ve v, hızının alanın kuvvet çizgilerine dik bulunduğunu kabul edelim (Şek, 2). Bu noktadaki parçacığa yukarıya doğru yönelmiş qvB’ye eşit bir F kuvveti etkîr. Kuvvet hıza dik olduğuna göre hızın düğerinde hiç bir değişiklik yapmayacak sadece onun doğrultusunu değiştirecektir.
Şekil 2. Yüklü bir parçacığın düzgün bir magnetik alan içindeki yörüngesi parçacığın hızı alana dik olduğu takdirde bir dairedir.
Bu duruma göre P ve Q gibi noktalarda kuvvetin ve hızın doğrultuları şekilde görüldüğü gibi değişecek fakat değerleri aynı kalacaktır. Zira, q, v ve B’nin değerleri sabit kalmaktadır. Demek ki, parçacık değeri sabit fakat doğrultusu hızına daima dik olan bir kuvvetin etkisi altında hareket etmekledir. Bu duruma göre parçacığın yörüngesi, yörüngeye teğet hızı v, merkezcil kuvveti F olan bir dairesel yörünge olacaktır. Buna göre,
Merkezcil kuvvet =
yakabiliriz, Newton’un ikinci kanununa göre,
qvB = m
olacak. Buradan dairesel yörüngelerin yarı çapı için
R =
çıkacaktır, ilk hızın doğrultusu alana dik değil ise parçacık bir helis üzerinde hareket eder
Thomson Metodu ile q/m’nin Ölçülmesi
Thomson’un “katot tanecikleri” dediği parçacıkların, yüklerinin kütlelerine q/m oranını nasıl ölçtüğünü dikkate alacak durumdayız. Thomson, aleti (Şek.3) içine birçok yerlerinden metal elektrotlar, tutturulmuş ve havası iyice boşaltılmış bir cam borudan, ibaretti. Şekildeki C elektrodu ışınların çıktığı katottu. Anot olan A elektrodu ise, katoda bakanca büyük ve pozitif bir potansiyele çıkarılmış ve böylece katot ışınlarının, bu elektroda boşalması sağlanmıştır. Işınların çoğu gelip A’ya çarp¬makta idi; fakat, A’da açılan küçük bir delikle bu ışınlardan bîr kıs¬mının arka tarafa geçmesine imkân bırakılıyordu. Bu elektrodun gerisine yine delikli bîr A elektrodu yerleştirilerek gelen katot ışınlarının geniş¬liğinin sınırlanması sağlanıyordu. Böylece P ve P’ levhalarının arasın¬daki bölgeden ince bir katot ışını demeti geçmekte idi.
Şekil 3. Katot ışınları ile q/m nin ölçülmesine yarıya Thomson aleti
Işınlar levhaların arasından geçtikten sonra tübün dip tarafında bulunan ve üzerine flüoresant madde sürülen S levhasının bir noktasına çarparak onu ışıklandırıyordu.
Tübün içindeki saptırıcı P ve P’ levhaları belirli bir aralıkla konul¬muş oldukları için, bunlara biz bilinen bir potansiyel farkı uygularsak, iki levha arasındaki bölgede bulunan elektrik alanını hemen hesaplayabiliriz. Levhalar arasında L kadar bir uzunluk içinde alanın biteviye olduğunu ve bunun, dışında sıfır olduğunu kabul ediyoruz, liftteki levha pozitif olarak yüklenecek olursa, elektrik alanı negatif olan katot ısınlarını yukarı doğru çevirecektir. Elektronlar levhalar arasındaki bölgeye geçtikten sonra, alansız bölgeden dosdoğru geçerler ve flüoresant perdeye kadar giderler.
E =
4 = D tan  = D
olur. Toplam B magnetik sapması için,
B = 3 + 4
veya
B =
olur.
Böylece, bu denklemler arasından vx i yok ederek q/m bulunur. Bununla beraber, Thomson’un yolundan giderek ve elektrik ve magnetik alanların birlikte etkilerini dikkate alarak vx’in değerini bulmak mümkündür. Bunun için eğer alanlar flüoresant perde üzerinde hiç bîr sapma gözlenmiyecek şekilde ayarla¬nırsa, o zaman elektrik alanıma yüklü parçacıklara etkilediği kuvvet magnetik alanın kuvveti tarafından denkleştirilmiş olur. Bu denkleşme şartı sağlandığı takdirde,
F = qE – qvxB = 0
veya
vx =
bulunur. Bura¬daki E ve B eşit ve zıt yönlü ise, katot ışınının birleşke sapması sıfır olur ve
E + B =
elde ederiz.
Elektronların Kütlesi Avagadro Sayısı.
Artık e/m ve e bilindiğine göre elektronun m kütlesini bulmak basit bir hesap işlemi haline girmiştir:
m = (9,1084 + 0,0004) X 10-31 kg.
Elektron yükünün bildiğimiz değerini kullanarak temel atomik sabitlerden bîrinin değerini sağlıkla elde edebilirim. Elektrolizden bilindiği gibi bir faraday, bir elektrolit kabından kimyasal eşdeğer gram kadar maddenin açığa çıkması için gerekli yük miktarıdır (96500 coul). Faraday sayısını elektronun e yükü ile bölecek olursak, N0 Avagadro sayısını elde ederiz, zira bir. faraday’lık yük geçmesi Avagadro sayısı kadar elektron taşınması ile olur. Bulunan sonuç Perrin’in bulduğu ve maddenin atomlu yapıda olduğunu kesin olarak tesbit eden değerle bağdaşmaktadır.
Pozitif ışınlar
Negatif elektriğin elektron denilen tanecik¬lerden meydana geldiği bu şekilde tanındıktan sonra, hatırımıza pozitif elektriğin ne olduğu sorusu gelmektedir. Bunun araştırılmağı ve anlaşılması katot ısınları halinde olduğu gibi bir elektrik boşalma tübü vasıtasıyla yapılmıştır. Goldstein 1880 yılında, bir elektrik boşaltma tübünün katodunda bir takım aralıklar bulunacak olursa, katodun arkasında bir takım ışık şeritlerinin meydana geldiğini farkettî. Önce adına kanal ısınları denilen bu ışık şeritlerinin, pozitif yüklü parçacıklardan oluş¬tuğunu göstermek kolay olmuştur. Bu yüklü parçacıklar boşalmayı sağlıyan elektrik alanı yönünde hareket etmekle idiler ve elektrik ve magnetik alanlar tarafındım saptırılmaları pozitif yüklü olduklarım göstermekte idi. Bu pozitif ışınların yüklerinin kütlelerine q/m oranlarını ölçmek için çalışılmıştır. Bu çalışmalar sonunda hemen görülmüştür.
Şekil 4. (a) Thomson aletinin pozitif ışınlarının analizi için şeması (b) Pozitif ışınlarının paraboller meydana getirmesi
 
Mağnetik Alan
Bir mıknatısın etrafında, mağnetik etkinin gözlenebildiği bölgeye mağnetik alan denir. Bu bölgenin her tarafında mağnetik cevherler ve mıknatıs kutupları üzerine kuvvetler etkir. Verilen herhangi bir kutup üzerine etkiyen kuvvet, bu kutup alan. içinde dolaştıkça doğrultu ve şiddet bakı¬mından değişecektir; ve bu suretle, mağnetik alanın, her noktada bir doğrultuya ve özel bir şiddete malik olduğu anlaşılır,
Bir mağnetik alanın doğrultusu ve yönü, izole bir N kutbu üzerine etkiyen kuvvetin doğrultu ve yönünün aynıdır; izole bir kutup fikri faydalıdır, ve onun eşi olan Öbür kutbun, sonucu değiştirecek bir etki yapamayacak derecede uzakta olmasını gerektirir.
Mağnetik alanın herhangi bir noktadaki şiddeti, o noktaya konmuş olan birim N kutbu üzerine etkiyen kuvvet olarak tarif edilir. Bu tarife göre alan şîddeti bir vektorel çokluktur, ve herhangi bir noktadaki doğrultu ve yönü, alanınkinin aynıdır,
Alan şiddeti birimine, elektromağnetismayı keşfetmiş olan Danimarkalı fi¬zikçi Hans Christian Oersted (1777 -1851) in adına izafeten, Oersted adı veril¬miştir. Oersted, birim mıknatıs kutbu üzerine bir dinlik bir kuvvet uygulayan bir mağnetik alanın şiddetidir. Bu tarife göre, eğer bîr mağnetik alanın bir noktasında bulunan m şiddetindeki bir kutup F dinlik bir kuvvete maruz bulunursa, bu noktadaki alan şiddetinin oersted cinsinden değeri olacaktır.
H =
Elektromagnetik Alanın Dönüşümü
Yukarda değişik örneklerde gördüğümüz gibi, bir gözlemcinin elektrik alanı diğer gözlemcinin magnetik alanı olabilmektedir. Şimdi şu soruya yanıt arayalım: S sisteminde verilen ve alanları S’ sistemine geçildiğinde nasıl dönüşürler? İlk tahmininize göre, ’nin bir 4-vektörürt uzay bileşeni ve ‘nin diğer bir 4-vektörün uzay bileşeni olacağını düşünüyorsanız yanılırsınız durum daha karmaşıktır.
Önce, açık bir şekilde elektrik yükün korunumlu olduğu varsayımını yaparak başlayalım. Kütle gibi, elektrik yükü de sabit bir sayı olup cismin ne kadar hızlı gittiğinden bağımsızdır. İkinci bir varsayım şudur: elektromagnetik alanların dönüşüm kuralları, nasıl oluştuklarına bakılmaksızın, aynıdır. Değişken akımın oluşturduğu elektrik alanla statik yüklerin oluşturduğu elektrostatik alan aynı şekilde dönüşür. Böyle olmasaydı, alan kavramını tümüyle bırakmamız gerekirdi, çünkü bir noktada elektrik ve magnetik alan verildiğinde, o nokta için tüm bilgi verilmiş demektir; başka bilgiye (elektromagnetik açıdan) gerek kalmamalıdır.
Şekil 5.
Bu iki varsayımdan sonra, en basit elektrik alanı gözönüne alalını: düzlem kapasitör levhaları arasındaki düzgün elektrik alan (Şek. 5a). Kapasitörün S0 referans site hareketsiz ve yüzey yükünün ±O olduğunu varsayalım. Buna göre,
Şimdi aynı kapasitörü, sağa doğru v0 hızıyla hareket eden S sisteminde incelersek (Şek. 5b). Bu sistemde levhalar sola doğru hareketli olup, elektrik alan yine
ifadesiyle verilir, ancak bu kez  yük yoğunluğu farklıdır. (Bir dakika; tüm farklılık sadece bu kadar mı? E = /0 ifadesi Gauss yasasından geliyordu; Gauss yasası ise, simetriye alanın levhaya dik okluğunu söyler. Burada alanın levhaya dik olduğunu söyleyebilir veya Şek. 5c’deki gibi bir tarafa eğik ise? Buna şöyle cevap vereyim: eğik (değil ama bile, levhalar arasındaki alan + ve - alanlarının vektörel toplamı olduğundan, levhalara paralel bileşenler birbirini sıfırlar.)
Herbir levha üzerindeki toplam yük korunumludur. Ayrıca, levhanın harekete eden kenarı sabit, fakat / kenar uzunluğu Lorenlz kısalması sonucu
çarpanı kadar kısalacaktır. Buna göre, birim yüzeydeki yük 0 kadar artar:
 = 0 0
Böylece, harekete dik doğrultudaki elektrik alan da aynı miktarda artar:
E = 0 E0
Harekete paralel bileşenin nasıl değiştiğini bulmak istersek, kapasitörü hareket yöne dik, yani yz düzlemine paralel alırız. (Şekil 6) Bu kez sadece levhalar arasındaki uzaklığı kısalacak, l ve w kenar uzunlukları değişmeyecektir.
Şekil 6
Örnek 1: Sabit hızlı noktasal yükün elektrik alanı. S0 sisteminde noktasal bir g yükü orijinde hareketsizdir. +x yönünde v0 hızıyla giden bir S sisteminde bu yükün elektrik alanı ne olur?
Çözüm: S0 sisteminde elektrik alan
veya
ololur. Buradan,
Ex =
Ey =
Ez =
Olur.
Genel dönüşüm kuralını bulmak için hem elektrik ve hem de magnetik olan bir sistemle yola çıkmalıyız. Yukarıda kullandığımız S sistemi bu işi görür. Bu sistemde eleketrik bulmuştuk.
Ey =
Bu sistemde v0 hızıyla hareket eden yüzey yüklerinin oluşturduğu yüzey akım yoğunluğu şöyle olur:
Sağ el kuralına göre, bu akımın oluşturduğu magnetik alan eksi z yönünde olup, şimdi Ampere yasasıyla bulunur:
Bz = -0v0
Şekil 7
Şimdi, üçüncü bir Sı sistemi S ye göre v hızıyla sağa doğru gidiyor olsun (Şekil 7). Bu sistemde elektrik ve magnetik alanlar, tıpkı S sisteminde olduğu gibi
-0ıvı
şeklinde olur; ancak burada vı hızı, Sı sisteminin S0 sistemine göre hızıdır.
vı = ı =
Yine, yüzey yükünün dönüşümü daha önce bulunan formüller aynıdır.
ı = ı0
Bu içerik internet kaynaklarından yararlanılarak sitemize eklenilmiştir