Manyetik Alan ve Manyetik Kuvvet Konu Anlatımı

Manyetik Alan ve Manyetik Kuvvet

Manyetik alan ve manyetik kuvvet, mıknatısların, elektrik akımlarının ve hareketli elektrik yüklerinin çevreleriyle nasıl etkileştiğini açıklayan temel kavramlardır. MEB 11. Sınıf Fizik ders kitabında bu konu; mıknatısların manyetik alanı, Dünya’nın manyetik alanı, akım geçen düz telin manyetik alanı, akım makarası, elektromıknatıslar, manyetik alandaki yüklü parçacıklar, akım geçen tellere etki eden manyetik kuvvet ve manyetik kuvvetin döndürücü etkisi üzerinden işlenir.

Mıknatıs ve Manyetik Kutuplar

Demir, nikel, kobalt ve bunlardan oluşan bazı alaşımları çekebilen maddelere mıknatıs denir.

Her mıknatısın iki kutbu vardır:

• kuzey kutbu: N
• güney kutbu: S

Aynı cins kutuplar birbirini iter.

Zıt cins kutuplar birbirini çeker.

Tek kutuplu mıknatıs yoktur. Bir mıknatıs ne kadar küçük parçalara ayrılırsa ayrılsın her parça yine N ve S kutuplarına sahip olur.

Doğal ve Yapay Mıknatıslar

Manyetit taşı doğal mıknatıs örneğidir.

Kitapta yapay mıknatıs türleri arasında AlNiCo, ferrit, samaryum-kobalt ve neodim-demir-bor gibi örnekler verilir.

Yapay mıknatıslar farklı şekil ve boyutlarda üretilebilir:

• çubuk,
• U biçimli,
• disk,
• halka,
• silindir,
• iğne.

Manyetik Alan

Manyetik alan doğadaki temel alanlardan biridir.

Sembolü:

**B**

SI birimi:

**tesla (T)**

dir.

Bunun yanında gauss (G) birimi de kullanılabilir.

**1 G = 10⁻⁴ T**

Manyetik alan, manyetik alan çizgileriyle modellenir.

Manyetik Alan Çizgileri

Mıknatısın dışında alan çizgileri:

**N kutbundan S kutbuna**

doğru yönelir.

Mıknatısın içinde ise:

**S kutbundan N kutbuna**

doğru devam eder.

Bu nedenle manyetik alan çizgileri kapalı eğriler oluşturur.

Elektriksel alan çizgilerinden farklı olarak başlangıç ve bitiş noktaları yoktur.

Manyetik Alan Çizgilerinin Özellikleri

Manyetik alan çizgileri:

• birbirini kesmez,
• alanın daha güçlü olduğu yerde daha sık çizilir,
• kutup şiddeti arttıkça çizgi sayısı artar,
• mıknatıstan uzaklaşıldıkça seyrekleşir,
• bir noktadaki manyetik alan vektörü o noktadaki alan çizgisine teğettir.

Alan çizgileri iki boyutlu çizilse de gerçek manyetik alan üç boyutlu uzaya yayılır.

Manyetik Alanın Şiddeti

Mıknatısın kutuplarında manyetik etki daha yoğundur.

Demir tozları mıknatıs çevresine serpildiğinde özellikle kutuplara yakın bölgelerde daha yoğun birikme görülür.

Bu durum kutuplarda manyetik alanın daha güçlü olmasıyla ilişkilidir.

Manyetik Kuvvet

Bir manyetik alan içindeki hareketli elektrik yüküne veya manyetik bir kutba etki eden kuvvete manyetik kuvvet denir.

Mıknatıslar arasındaki manyetik kuvvet:

• kutup şiddetleriyle doğru,
• aralarındaki uzaklığın karesiyle ters

orantılıdır.

Ortamın özelliği de manyetik kuvveti etkileyebilir.

Mıknatıslar Arasındaki Kuvvet ve Terazi Örneği

Bir mıknatıs terazinin üzerine konulmuş olsun.

Üstüne aynı kutup yaklaştırılırsa itme kuvveti terazide okunan değeri artırabilir.

Zıt kutup yaklaştırılırsa çekme kuvveti yukarı yönlü olabileceğinden terazide okunan değer azalabilir.

Mıknatıslar arasındaki uzaklık arttıkça manyetik kuvvet azalır.

Kutup şiddeti arttıkça manyetik kuvvet artar.

Pusula ve Manyetik Alan Yönü

Pusula iğnesi küçük bir mıknatıstır.

Bir noktadaki manyetik alan yönünü belirlemek için o noktaya pusula yerleştirilebilir.

Pusulanın N kutbunun gösterdiği yön, o noktadaki manyetik alanın yönünü yaklaşık olarak gösterir.

Dünya’nın Manyetik Alanı

Dünya’nın manyetik alanı çubuk mıknatısın alanına benzetilebilir.

Dünya’nın coğrafi kuzey kutbuna yakın bölgede manyetik güney kutbu bulunur.

Bu nedenle pusulanın N kutbu yaklaşık coğrafi kuzeye yönelir.

Dünya’nın dönme ekseni ile manyetik ekseni tam olarak çakışmaz.

Kitapta bu iki eksen arasında yaklaşık 11,5° açı bulunduğu belirtilir.

Dünya’nın Manyetik Alanının Koruyucu Etkisi

Dünya’nın manyetik alanı, Güneş’ten gelen yüksek enerjili yüklü parçacıkların önemli bir bölümünü saptırır.

Bu parçacıkların bir kısmı Van Allen kuşaklarında tutulabilir.

Kutuplara yakın bölgelerde bazı parçacıkların atmosfere girmesi kutup ışıklarının oluşmasına katkıda bulunur.

Canlılarda Manyetik Alan Algısı

Kitapta bazı canlıların Dünya’nın manyetik alanını algılayabildiğine dair örnekler verilir.

Göçmen kuşlar, deniz kaplumbağaları, arılar, köpek balıkları ve yunuslar yön bulmada manyetik alanı kullanabilir.

İnsan yapımı güçlü elektromanyetik sistemler doğal alanı bozduğunda göçmen kuşların yön bulması olumsuz etkilenebilir.

Elektrik Akımının Manyetik Etkisi

Hans Christian Ørsted, üzerinden akım geçen telin yakınındaki pusula iğnesinin saptığını gözlemlemiştir.

Bu deney, elektrik akımı ile manyetik alan arasındaki ilişkiyi göstermiştir.

Üzerinden akım geçen düz tel çevresinde manyetik alan oluşur.

Düz İletken Telin Manyetik Alanı

Sonsuz uzunlukta kabul edilen düz iletken telin d kadar uzağındaki manyetik alanın büyüklüğü:

**B = 2K·i/d**

biçiminde modellenir.

Burada:

• B: manyetik alan,
• K: ortamın manyetik alan katsayısı,
• i: akım şiddeti,
• d: tele dik uzaklıktır.

Manyetik Alan Katsayısı

Ortamın manyetik alanı kuvvetlendirme veya zayıflatma özelliği manyetik geçirgenlikle ilişkilidir.

Manyetik alan katsayısı K, ortamın manyetik geçirgenliği ile doğru orantılıdır.

Hava ile boşluğun manyetik geçirgenlikleri birbirine çok yakın kabul edilebilir.

Kitapta hava ve boşluk için:

**K = μ₀/(4π)**

ifadesi verilir.

Düz Telin Alan Çizgileri

Akım geçen düz tel çevresindeki manyetik alan çizgileri, teli saran eş merkezli çemberler biçimindedir.

Aynı yarıçaplı çember üzerindeki her noktada alan büyüklüğü aynıdır.

Alan yönü sağ el kuralıyla belirlenir.

Düz Tel İçin Sağ El Kuralı

Sağ elin başparmağı akım yönünü gösterecek şekilde tel tutulur.

Diğer dört parmağın kıvrıldığı yön, manyetik alanın dolanım yönünü gösterir.

Akım yönü ters çevrilirse manyetik alanın yönü de ters döner.

Ancak akımın büyüklüğü değişmiyorsa aynı noktadaki alan büyüklüğü değişmez.

Düz Tel ve Pusula

Akım geçen tel yakınındaki pusula, telin oluşturduğu alan ile Dünya’nın alanının bileşkesine göre yönelir.

Akım büyütülürse telin alanı artar ve pusulanın sapması büyüyebilir.

Tele olan uzaklık artırılırsa telin alanı azalır ve sapma küçülebilir.

Akım yönü ters çevrilirse pusulanın sapma yönü de değişebilir.

Akım Makarası

Uzun bir iletken telin sarmal biçimde bir doğru boyunca sarılmasıyla akım makarası, yani selenoid oluşur.

Üzerinden akım geçen akım makarası çubuk mıknatısınkine benzer manyetik alan oluşturur.

Makaranın bir ucu N, diğer ucu S kutbu gibi davranır.

İdeal Akım Makarasının Alanı

İdeal akım makarası:

• çok uzun,
• halkaları birbirine çok yakın

kabul edilir.

İdeal durumda:

• makara içindeki manyetik alan düzgün,
• makara dışındaki manyetik alan sıfır

kabul edilir.

Merkez eksendeki alan:

**B = 4Kπ·i·N/L**

bağıntısıyla modellenir.

Burada:

• i: akım,
• N: sarım sayısı,
• L: makaranın uzunluğu,
• N/L: birim uzunluktaki sarım sayısıdır.

Akım Makarasında Sağ El Kuralı

Akım makarasının alan yönünü belirlemek için sağ el kullanılır.

Dört parmak, tel üzerindeki akımın dolanım yönünde kıvrılır.

Başparmak makaranın içindeki manyetik alan yönünü gösterir.

Akımın yönü değişirse makaranın N ve S kutupları da yer değiştirir.

Elektromıknatıs

Akım makarası demir, nikel veya kobalt gibi maddelerin çevresine sarıldığında içindeki madde mıknatıs özelliği kazanabilir.

Bu düzeneğe elektromıknatıs denir.

Çekirdek malzeme manyetik alanı güçlendirebilir.

Elektromıknatısın güçlü yönlerinden biri manyetik etkisinin elektrik akımıyla kontrol edilebilmesidir.

Elektromıknatısın Kullanım Alanları

Kitapta elektromıknatısların kullanıldığı alanlar arasında şunlar yer alır:

• MRG cihazları,
• mekanik kapı zilleri,
• manyetik trenler,
• hurda vinçleri,
• radyo,
• hoparlör,
• mikrofon,
• jeneratör,
• su arıtma cihazı,
• selenoid vana,
• elektromanyetik kilit.

Hurda Vinci Örneği

Elektromıknatıslı vinç daha güçlü alan oluşturursa daha fazla demir hurda çekebilir.

Manyetik etkiyi artırmak için:

• akım artırılabilir,
• birim uzunluktaki sarım sayısı artırılabilir,
• uygun çekirdek kullanılabilir,
• elektromıknatıs hurdalara yaklaştırılabilir.

Hurdaları bırakmak için akım sıfırlanabilir.

Yüklü Parçacığa Etki Eden Manyetik Kuvvet

Manyetik alandaki hareketli yüklü parçacığa manyetik kuvvet etki edebilir.

Parçacık manyetik alana dik hızla girerse:

**F = B·q·v**

olur.

Genel durumda hız ile manyetik alan arasındaki açı θ ise:

**F = B·q·v·sinθ**

bağıntısı kullanılır.

Yüklü Parçacık İçin Sağ El Kuralı

Pozitif yüklü parçacık için:

• dört parmak hız yönünü gösterir,
• avuç içi manyetik alan yönünü temsil eder,
• başparmak manyetik kuvvetin yönünü verir.

Negatif yüklü parçacık için kuvvet, pozitif yük için bulunan yönün tersidir.

Manyetik kuvvet:

• hız vektörüne,
• manyetik alan vektörüne

dik olabilir.

Manyetik Kuvvet ve Çembersel Hareket

Yüklü parçacık manyetik alana dik hızla girdiğinde manyetik kuvvet hıza dik olur.

Bu kuvvet merkezcil kuvvet görevi yapar.

Bu nedenle parçacık düzgün çembersel hareket yapabilir.

**Bqv = mv²/r**

eşitliğinden:

**r = mv/(Bq)**

elde edilir.

Çembersel hareket periyodu:

**T = 2πm/(Bq)**

biçiminde yazılabilir.

Bu ilişkiler kütle spektrometrisinde farklı iyonların ayrıştırılmasıyla ilişkilendirilir.

Kütle Spektrometrisi

Kütle spektrometresinde yüklü iyonlar düzgün manyetik alana dik gönderilir.

Farklı:

• kütle,
• yük

değerlerine sahip iyonlar farklı yarıçaplarda çembersel hareket eder.

Bu sayede iyonlar ayrıştırılabilir.

Manyetik Kuvvet Sürati Neden Değiştirmez?

Manyetik kuvvet hız vektörüne dik olduğundan parçacığın hızının yönünü değiştirir.

Ancak süratinin büyüklüğünü değiştirmez.

Bu nedenle manyetik kuvvet, uygun koşullarda parçacığı çembersel yörüngede tutabilir.

CRT Ekran Örneği

CRT ekranlarda elektronlar hareketli yüklü parçacıklardır.

Yakına mıknatıs getirildiğinde elektronlar manyetik kuvvete maruz kalabilir.

Elektronların ekranda ulaşacağı nokta değişirse görüntü bozulabilir.

Mıknatıs yaklaştırılıp manyetik alan büyütülürse bozulma artabilir.

Elektromanyetik Akışölçer

Kitapta kan akış hızının manyetik alan yardımıyla ölçülmesi örneklenir.

Hareket eden yüklü iyonlar manyetik kuvvet etkisiyle damar içinde farklı yönlere sapabilir.

İyon ayrışması elektriksel alan oluşturur.

Elektriksel kuvvet manyetik kuvveti dengelediğinde yüklerin sapması durabilir.

Akım Geçen Düz Tele Etki Eden Manyetik Kuvvet

Manyetik alandaki akım geçen düz tele etki eden kuvvet, tel içindeki hareketli yüklere etki eden kuvvetlerin bileşkesidir.

Tele etki eden kuvvetin büyüklüğü:

**F = B·i·L·sinθ**

ile modellenir.

Burada:

• B: manyetik alan,
• i: akım,
• L: telin alan içindeki uzunluğu,
• θ: tel ile manyetik alan arasındaki açıdır.

Akım Geçen Tel İçin Sağ El Kuralı

Sağ elin dört parmağı akım yönünü gösterecek biçimde tutulur.

Avuç içi manyetik alan yönüne göre konumlandırılır.

Başparmak tele etki eden manyetik kuvvetin yönünü gösterir.

Akım yönü veya alan yönü ters çevrilirse kuvvet yönü de değişebilir.

Manyetik Kuvvetin Büyüklüğünü Etkileyen Etmenler

**F = BiLsinθ**

bağıntısına göre:

• B artarsa F artar,
• i artarsa F artar,
• L artarsa F artar,
• sinθ artarsa F artar.

Kuvvet, tel manyetik alana dikken en büyük; tel alanla aynı doğrultudayken sıfırdır.

Paralel Akım Taşıyan Teller

Akım geçen düz tel çevresinde manyetik alan oluşturur.

Bu alan içinde bulunan başka akım geçen tel manyetik kuvvete maruz kalır.

Aynı yönde akım geçen paralel teller:

• birbirini çeker.

Zıt yönde akım geçen paralel teller:

• birbirini iter.

Bu durum iki telin birbirinin manyetik alanında bulunmasıyla açıklanır.

Manyetik Kuvvetin Döndürücü Etkisi

Düzgün manyetik alan içine yerleştirilen dikdörtgen tel çerçeveden akım geçtiğinde, çerçevenin bazı kenarlarına zıt yönlü manyetik kuvvetler etki edebilir.

Bu kuvvetler aynı yönde döndürme etkisi oluşturarak çerçevenin bir eksen çevresinde dönmesini sağlar.

Manyetik kuvvetin döndürücü etkisi:

• akım şiddeti,
• manyetik alan büyüklüğü,
• çerçevenin alanı,
• sarım sayısı

ile doğru orantılıdır.

Kitapta çerçeve düzlemi ile manyetik alan aynı düzlemde olduğunda döndürme etkisinin en büyük olduğu belirtilir.

Elektrik Motoru

Basit elektrik motorlarında manyetik kuvvetin döndürücü etkisinden yararlanılır.

Akım geçen tel çerçeve manyetik alanda dönmeye zorlanır.

Bu ilke elektrik motorlarının çalışma temelini oluşturur.

Elektrik motorları:

• buzdolabı,
• elektrikli süpürge,
• çamaşır makinesi,
• klima,
• vantilatör,
• matkap,
• robot,
• yazıcı,
• elektrikli araç

gibi çok sayıda sistemde kullanılır.

Galvanometre

Galvanometrede:

• mıknatıs,
• bobin,
• yay,
• ibre

gibi elemanlar bulunur.

Bobinden akım geçtiğinde bobinin kenarlarına manyetik kuvvet etki eder.

Bu kuvvetler bobini ve ona bağlı ibreyi döndürür.

Yay, dönmeye karşı etki oluşturarak ibrenin belirli konumda dengelenmesini sağlar.

Hassasiyeti artırmak için:

• sarım sayısı artırılabilir,
• ibre uzatılabilir.

Manyetik Burucular

Kitapta yapay uydularda kullanılan manyetik burucu çubuklar örneklenir.

Bobinlerden geçen akım ile Dünya’nın manyetik alanı etkileşir.

Oluşan manyetik kuvvet uydu üzerinde döndürme etkisi oluşturabilir.

Bu sistemler yakıt kullanmadan yönelim kontrolüne katkı sağlayabilir.

Sık Karıştırılan Noktalar

• Tek kutuplu mıknatıs yoktur.
• Mıknatıs dışında alan N’den S’ye, içinde S’den N’ye yönelir.
• Manyetik alan çizgileri kapalı eğrilerdir.
• Alan çizgileri birbirini kesmez.
• Pusulanın N kutbu manyetik alan yönünü gösterir.
• Düz telde alan akımla doğru, uzaklıkla ters orantılıdır.
• Akım yönü ters çevrilirse alan yönü değişir.
• Akım makarasının alanı akım ve sarım sayısıyla artar, uzunlukla azalır.
• Elektromıknatısın alanı akımla kontrol edilebilir.
• Hareketli yüklü parçacık alanla aynı doğrultuda giderse manyetik kuvvet sıfırdır.
• Negatif yüke etki eden kuvvet yönü, pozitif yük için bulunan yönün tersidir.
• Manyetik kuvvet hareketli parçacığın süratini değil yönünü değiştirebilir.
• Akım geçen tel alanla aynı doğrultudaysa manyetik kuvvet sıfırdır.
• Aynı yönlü paralel akımlar birbirini çeker, zıt yönlüler iter.
• Elektrik motorunda çerçeveyi döndüren etki manyetik kuvvet çiftlerinden kaynaklanır.

Soru Çözerken Kullanılabilecek Yaklaşım

1. Önce manyetik alanın kaynağını belirle: mıknatıs, düz tel veya akım makarası.
2. Alan yönünü belirlemek için uygun sağ el kuralını kullan.
3. Düz tel alanında B=2Ki/d modelini kullan.
4. Akım makarası alanında B=4KπiN/L modelini kullan.
5. Alan büyüklüğü sorularında değişkenlerin doğru veya ters orantılarını ayır.
6. Yüklü parçacık sorularında hız ile alan arasındaki açıyı belirle.
7. Parçacık kuvveti için F=Bqv sinθ kullan.
8. Negatif yükte kuvvet yönünü ters çevirmeyi unutma.
9. Parçacık alana dik giriyorsa manyetik kuvveti merkezcil kuvvete eşitle.
10. Akım geçen tel sorularında F=BiL sinθ kullan.
11. Telin veya parçacığın alanla paralel olması hâlinde kuvvetin sıfır olacağını kontrol et.
12. Paralel tellerde önce bir telin oluşturduğu alanı, sonra diğer tele etki eden kuvveti değerlendir.
13. Tel çerçevede kuvvetlerin dönme etkisini ve eksene göre yönlerini incele.
14. Sonucu birim, yön ve fiziksel anlam bakımından kontrol et.

Konu Özeti

Manyetik alan B sembolüyle gösterilen ve birimi tesla olan vektörel bir büyüklüktür. Mıknatısların alan çizgileri dışarıda N’den S’ye, içeride S’den N’ye yönelir ve kapalı eğriler oluşturur. Elektrik akımı da manyetik alan oluşturur. Düz tel için B=2Ki/d, ideal akım makarası için B=4KπiN/L modelleri kullanılır. Hareketli yüklü parçacığa F=Bqv sinθ, akım geçen tele F=BiL sinθ manyetik kuvveti etki edebilir. Manyetik kuvvet uygun koşullarda merkezcil kuvvet oluşturur ve yüklü parçacığın çembersel hareket yapmasını sağlar. Akım geçen tel çerçevelere etki eden kuvvetlerin döndürücü etkisi elektrik motoru ve galvanometre gibi sistemlerin temelini oluşturur.

Konuyu Bitirdiğinde Bunları Yapabiliyor Olmalısın

• Mıknatısların kutuplarını ve etkileşimlerini açıklayabilmelisin.
• Manyetik alan çizgilerinin yönünü ve özelliklerini yorumlayabilmelisin.
• Pusulayla manyetik alan yönünü belirleyebilmelisin.
• Dünya’nın manyetik alanını açıklayabilmelisin.
• Düz telin manyetik alanını B=2Ki/d modeliyle değerlendirebilmelisin.
• Düz tel için sağ el kuralını kullanabilmelisin.
• Akım makarasının manyetik alanını B=4KπiN/L modeliyle değerlendirebilmelisin.
• Elektromıknatısın çalışma ilkesini ve kullanım alanlarını açıklayabilmelisin.
• Hareketli yüklü parçacığa etki eden manyetik kuvveti hesaplayabilmelisin.
• Negatif ve pozitif yükler için kuvvet yönünü belirleyebilmelisin.
• Manyetik kuvveti merkezcil kuvvetle ilişkilendirebilmelisin.
• Akım geçen tele etki eden manyetik kuvveti F=BiLsinθ ile hesaplayabilmelisin.
• Paralel akım taşıyan tellerin birbirine uyguladığı kuvvetin yönünü yorumlayabilmelisin.
• Manyetik kuvvetin tel çerçeve üzerindeki döndürücü etkisini açıklayabilmelisin.
• Elektrik motoru ve galvanometrenin çalışma ilkesini manyetik kuvvetle ilişkilendirebilmelisin.