Mıknatıslar ve manyetik alan

Buzdolabının kapağına yapıştırılan bir mıknatıs, hiçbir yapıştırıcı olmadan aylarca yerinde durur. Aynı mıknatıs alüminyum bir tencereye ya da tahta bir masaya yaklaştırıldığında hiçbir şey olmaz. İki mıknatısın uçlarını birbirine yaklaştırdığınızda bazen birbirine yapışırlar, bazen de görünmez bir yastık aralarına girmiş gibi birbirini iterler. Ceplerimizdeki telefonların içindeki pusula uygulaması da gemicilerin yüzyıllardır kullandığı pusula iğnesi de aynı kuvvete dayanır: Dünya'nın kendisi büyük bir mıknatıs gibi davranır. Önceki derslerde elektrik yüklerini ve akımı inceledik. Bu ünitenin son dersinde elektrikle sıkı bir bağı olan başka bir etkiye geçiyoruz: mıknatısların kutuplarını ve birbirine etkisini, hangi maddelerin mıknatısa çekildiğini, manyetik alanı ve alan çizgilerini, Dünya'nın manyetik alanını ve pusulayı, son olarak da elektrik akımının nasıl manyetik alan oluşturduğunu ve elektromıknatısları öğreniyoruz.

• Mıknatısın kutuplarını tanır, kutuplar arasındaki itme ve çekmeyi açıklarsın.
• Manyetik maddeleri ayırır, mıknatıslanma ve mıknatıslığın kaybolmasını yorumlarsın.
• Manyetik alanı ve alan çizgilerini tanımlar, pusulanın ve Dünya'nın manyetik alanının ilişkisini açıklarsın.
• Akımın manyetik alan oluşturduğunu gösterir, elektromıknatısın çalışmasını ve kullanım alanlarını açıklarsın.

Mıknatıs ve kutuplar

Demir gibi bazı maddeleri çeken cisimlere mıknatıs denir. Bir çubuk mıknatısın çekme etkisi uçlarında en güçlüdür; bu uçlara kutup denir. Serbestçe dönebilecek biçimde asılan bir çubuk mıknatıs kendiliğinden kuzey-güney doğrultusunda durur. Kuzeyi gösteren ucuna kuzey kutbu (N), güneyi gösteren ucuna güney kutbu (S) denir.

Kutuplar arasındaki etkileşim elektrik yüklerine benzer: aynı kutuplar birbirini iter, zıt kutuplar birbirini çeker. Kuvvet, kutuplar birbirine yaklaştıkça hızla büyür.

Önemli bir fark vardır: elektrik yükleri tek başına bulunabilir, ama mıknatıs kutupları her zaman çift hâlinde bulunur. Bir çubuk mıknatıs ortasından kesilirse tek kutuplu iki parça elde edilmez; her biri kendi kuzey ve güney kutbu olan iki küçük mıknatıs ortaya çıkar. Parçalar ne kadar küçültülürse küçültülsün bu durum değişmez.

Hangi maddeler çekilir?

Mıknatısa belirgin biçimde çekilen maddelere manyetik madde denir. Demir, nikel ve kobalt ile bunları içeren çelik gibi alaşımlar bu gruptadır. Bakır, alüminyum, altın, cam, tahta ve plastik mıknatısa çekilmez. Buzdolabının çelik kapağı mıknatısı tutarken alüminyum tencerenin tutmaması bu yüzdendir. Hurda tesislerinde demir ve çelik, mıknatıs yardımıyla öteki metallerden ayrılır.

Manyetik bir madde, mıknatısın yakınına getirildiğinde kendisi de geçici olarak mıknatıslanır. Mıknatısın kuzey kutbuna yaklaştırılan bir demir çivinin yakın ucu güney kutbu, uzak ucu kuzey kutbu olur; bu yüzden çivi mıknatısa çekilir. Bir çiviye bağlı ikinci, üçüncü çivilerin zincir oluşturması da bu geçici mıknatıslanmayla açıklanır.

Mıknatıslanma ve mıknatıslığın kaybolması

Manyetik maddelerin içinde, her biri küçük bir mıknatıs gibi davranan bölgeler vardır. Mıknatıslanmamış bir demir çubukta bu bölgeler rastgele yönelmiştir ve etkileri birbirini götürür. Çubuk bir mıknatısla aynı yönde defalarca sürtülürse ya da güçlü bir manyetik alana konursa bölgeler aynı yöne dizilir ve çubuk mıknatıs olur.

Bir mıknatıs çok ısıtılırsa ya da sert darbelerle dövülürse bu düzen bozulur ve mıknatıslık zayıflar ya da tamamen kaybolur. Mıknatısları düşürmemek ve sıcaktan korumak gerekir.

Manyetik alan ve alan çizgileri

Bir mıknatısın etkisini gösterdiği bölgeye manyetik alan denir. Manyetik alan, alan çizgileriyle gösterilir. Mıknatısın dışında alan çizgileri kuzey kutbundan çıkar, güney kutbuna girer. Çizgiler birbirini kesmez. Çizgilerin sık olduğu yerlerde alan güçlü, seyrek olduğu yerlerde zayıftır; bu yüzden çizgiler kutupların yakınında en sıktır.

Bir mıknatısın üstüne konan kâğıda demir tozu serpilip kâğıda hafifçe vurulursa tozlar alan çizgileri boyunca dizilir ve alanın biçimi görünür hâle gelir. Alana konan küçük bir pusula iğnesi, bulunduğu noktadaki alan çizgisine teğet olacak biçimde durur ve kuzey kutbu alanın yönünü gösterir.

Dünya'nın manyetik alanı ve pusula

Dünya, içinde dev bir çubuk mıknatıs varmış gibi bir manyetik alana sahiptir. Pusula iğnesi küçük bir mıknatıstır ve bu alanda kuzey-güney doğrultusunda durur. İğnenin kuzey kutbu coğrafi kuzeyi gösterir. Zıt kutuplar birbirini çektiğine göre, coğrafi kuzey yakınındaki manyetik kutup aslında bir güney manyetik kutbudur.

Manyetik kutuplar coğrafi kutuplarla tam olarak çakışmaz; aralarında bir açı farkı vardır ve bu fark yerden yere değişir. Duyarlı yön bulmada bu fark düzeltilir. Pusula, bir demir parçasının ya da başka bir mıknatısın yakınında doğru yönü göstermez; çünkü iğne yakındaki daha güçlü alana göre yönelir.

Akım ve manyetik alan

1820'de Danimarkalı fizikçi Hans Christian Ørsted, içinden akım geçen bir telin yakınındaki pusula iğnesinin saptığını gözledi. Akım kesilince iğne eski yönüne döndü, akımın yönü değiştirilince ters yöne saptı. Bu gözlem, elektrik ile manyetizmanın birbirine bağlı olduğunu gösteren ilk deneysel kanıtlardan biridir.

İçinden akım geçen düz bir telin çevresindeki manyetik alan çizgileri, teli merkez alan çemberler biçimindedir. Alanın yönü sağ el kuralıyla bulunur: sağ elin başparmağı akım yönünü gösterecek biçimde tel kavranırsa, öteki parmakların kıvrılma yönü alan çizgilerinin yönünü verir. Akım büyüdükçe alan güçlenir; telden uzaklaştıkça zayıflar.

Elektromıknatıslar

Bir tel sarmal biçiminde sarılarak bobin yapılırsa, her sarımın alanı birbirine eklenir ve bobin bir çubuk mıknatıs gibi davranır. Bobinin içine demir bir çekirdek konursa alan çok daha güçlenir. Böyle bir düzeneğe elektromıknatıs denir.

Elektromıknatısın en büyük üstünlüğü denetlenebilir olmasıdır: akım açılınca mıknatıs olur, kapanınca mıknatıslığı büyük ölçüde kaybolur. Gücü sarım sayısı ve akım artırılarak büyütülür; akımın yönü değiştirilince kutupları yer değiştirir. Hurdalıklardaki vinçler ağır demir yükleri elektromıknatısla kaldırır ve akımı keserek bırakır. Kapı zilleri, hoparlörler, elektrik motorları ve elektrikli kilitler de elektromıknatıslarla çalışır.

Manyetizma gündelik hayatta

Mıknatıslar ve manyetik alanlar pek çok sıradan eşyanın içinde saklıdır. Buzdolabı kapaklarının contalarındaki şeritler kapağı kapalı tutar. Eski banka kartlarının arkasındaki koyu şerit, bilgiyi küçük bölgelerin mıknatıslanma yönleri olarak saklar; bu yüzden güçlü bir mıknatısın yakınında bozulabilir. Bazı bilgisayar sabit disklerinde de veriler benzer biçimde, manyetik bir yüzeyin küçük bölgelerinde saklanır. Elektrik santrallerindeki jeneratörler ise mıknatıslarla teller arasındaki hareketten elektrik üretir; bu konu ileride ayrıntılı olarak ele alınacaktır.

Örnek 1 — Kutuplar

Soru: İki çubuk mıknatısın güney kutupları birbirine yaklaştırılıyor. Ne olur?

• A) Birbirini çekerler.
• B) Birbirini iterler.
• C) Etkileşmezler.
• D) Önce çeker sonra iterler.
• E) Mıknatıslıkları kaybolur.

Çözüm: Aynı kutuplar birbirini iter. Cevap: B.

Örnek 2 — Kesilen mıknatıs

Soru: Bir çubuk mıknatıs üç eşit parçaya kesiliyor. Ortadaki parça için hangisi doğrudur?

• A) Mıknatıslığı yoktur.
• B) Yalnız kuzey kutbu vardır.
• C) Yalnız güney kutbu vardır.
• D) Kuzey ve güney kutbu olan bir mıknatıstır.
• E) Demir tozunu itmez, çekmez.

Çözüm: Mıknatıs her kesildiğinde parçalar iki kutuplu birer mıknatıs olur. Cevap: D.

Örnek 3 — Pusula

Soru: Bir pusula iğnesinin kuzey kutbunun coğrafi kuzeyi göstermesinin nedeni nedir?

• A) Coğrafi kuzey yakınında bir manyetik güney kutbu bulunması
• B) Coğrafi kuzeyde bir manyetik kuzey kutbu bulunması
• C) Güneş'in çekimi
• D) Rüzgârların yönü
• E) Pusulanın elektrikle çalışması

Çözüm: Zıt kutuplar çekişir; iğnenin kuzey kutbunu çeken, Dünya'nın manyetik güney kutbudur. Cevap: A.

Örnek 4 — Elektromıknatıs

Soru: Bir elektromıknatısın çekim gücünü artırmak için hangisi yapılır?

• A) Akımı azaltmak
• B) Demir çekirdeği çıkarmak
• C) Sarım sayısını ve akımı artırmak
• D) Bobini ısıtmak
• E) Akımın yönünü sürekli değiştirmek

Çözüm: Daha çok sarım ve daha büyük akım, daha güçlü alan oluşturur. Cevap: C.

• Tek kutuplu mıknatıs olabileceğini sanmak. Kesilen mıknatısın her parçası iki kutupludur.
• Bütün metallerin mıknatısa çekildiğini düşünmek. Bakır ve alüminyum çekilmez; demir, nikel, kobalt çekilir.
• Coğrafi kuzeydeki manyetik kutbu kuzey kutbu sanmak. Pusulanın N ucunu çektiği için o bir güney manyetik kutbudur.
• Alan çizgilerinin yönünü ters yazmak. Mıknatısın dışında çizgiler N'den çıkıp S'ye girer.
• Elektromıknatısın akım kesilince de güçlü kaldığını sanmak. Akım kesilince mıknatıslığı büyük ölçüde kaybolur.