$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Manyetik alanlar, elektromanyetizma için temeldir ve pusulalardan manyetik rezonans görüntülemeye kadar birçok pratik uygulamanın temelini oluşturur.
Manyetik alanlar veya B alanları, manyetik malzeme içindeki yüklerin mikroskobik dinamikleri nedeniyle elektrik akımı gibi hareketli yükler veya çubuk mıknatıslar gibi nesneler tarafından üretilebilir.
Bu video, akım taşıyan bir iletken ve kalıcı bir çubuk mıknatıs tarafından üretilen manyetik alanların nasıl görselleştirileceğini gösterecektir. Ayrıca bu video, bir akımın akım taşıyan başka bir tel üzerinde ürettiği manyetik alanların uyguladığı kuvveti de gösterecektir.
Manyetik alanlar, manyetik alan çizgileri kullanılarak görselleştirilebilir. Bunlar, manyetik alanların dağılımını ve yönünü anlamaya yardımcı olan hayali çizgilerdir.
Bir manyetik alan çizgisinden gelen teğet, manyetik alanın yerel yönünü yansıtır ve çizgilerin yoğunluğu, bir çubuk mıknatıs olması durumunda, yüzeyinden uzaklaştıkça azalan yerel manyetik alanın gücünü yansıtır. Farklı akım iletkeni konfigürasyonları, manyetik alan dağılımlarında farklı varyasyonlar üretir.
Örneğin, bir elektrik akımı taşıyan uzun düz bir tel, "manyetik alan çizgileri" ile temsil edilen yönü, telin etrafındaki dairesel teğet yönü boyunca olan bir manyetik alan üretir.
Bir çubuk mıknatıs söz konusu olduğunda, manyetik alan çizgileri mıknatısın kuzey kutbunu terk eder ve mıknatısın güney kutbuna girer. Bu, akım taşıyan silindirik bir tel bobin olan bir solenoid tarafından üretilen manyetik alan modeline benzer.
Bir akım tarafından üretilen manyetik alanın yönü "sağ el kuralı" ile belirlenebilir. Kural, başparmak akımın yönünü gösteriyorsa, iletkenin etrafında kıvrılan parmakların manyetik alanın yönünü gösterdiğini belirtir. Böylece, bir çubuk mıknatıs, iletkene yaklaştırıldığında, üretilen yerel manyetik alanla hizalanır.
Artık herhangi bir iletken veya mıknatıs tarafından üretilen manyetik alanların yakındaki manyetik malzemelerle etkileşime girdiğini biliyoruz. Ek olarak, üretilen manyetik alanlar, ikinci bir akım taşıyan iletkende bulunanlar gibi hareketli elektrik yükleriyle de etkileşime girer.
Bir 'B' manyetik alanına hareketli bir yük 'q' girdiğinde, alan yüke bir 'F' kuvveti uygular. Buna Lorentz kuvveti denir. Kuvvet, 'B' manyetik alanı, 'q' yükü ve 'v' hızı ile orantılıdır ve yükün hızı ile manyetik alanın vektör çarpımı ile yükün çarpımı ile belirlenir. Bu nedenle kuvvet, hem yükün hareketine hem de "sağ el başparmak kuralı" tarafından belirlenen manyetik alana dik bir yönü gösterir.
Manyetik alanların temellerini gözden geçirdikten sonra, bu manyetik alan çizgilerini görselleştirmek için basit bir deney yapalım ve üretilen bir manyetik alan tarafından uygulanan Lorentz kuvvetinin paralel akım taşıyan bir teli nasıl etkilediğini gösterelim.
Bir DC akım kaynağı, birkaç pusula iğnesi ile monte edilmiş plastik bir levha ve merkezinden geçen düz bir iletken tel ve kalıcı bir çubuk mıknatıs gibi gerekli malzemeleri ve aletleri toplayın.
Ortasında bir delik olan plastik levhayı gözlemleyin. İğnelerin serbestçe dönebilmesi için pimler kullanılarak merkez deliğin etrafına birkaç pusula iğnesi ile monte edilir.
Ayrıca, iletken telin kartın orta deliğinden beslendiğine dikkat edin. Telin tahtaya dik olduğundan emin olun. Kelepçeli kabloları kullanarak kabloyu DC akım kaynağına bağlayın.
Akım kaynağını AÇIN ve akım beslemesini +5 ampere ayarlayın. Pusula iğnelerinin davranışını gözlemleyin.
Ardından, güç kaynağını KAPATIN ve artı ve eksi kabloları değiştirin. Ardından, telden geçen akımın yönünü tersine çevirmek için güç kaynağını AÇIN ve pusula iğnelerini tekrar gözlemleyin.
Şimdi kapatın ve akım beslemesini kesin ve manyetik iğnelerle monte edilmiş, ancak içinden iletken tel geçmemiş benzer bir plastik levha elde edin. Ardından, çubuk mıknatısın kuzey kutbunu tanımlayın.
Çubuk mıknatısın uzun ekseni tahtaya paralel olacak şekilde, kuzey kutbunu tahtaya yandan yaklaştırın. Yöndeki herhangi bir değişiklik için pusula iğnelerini gözlemleyin.
Şimdi çubuk mıknatısı, güney kutbu tahtaya daha yakın olacak şekilde çevirin. Bir kez daha, yöndeki herhangi bir değişiklik için pusula iğnelerini gözlemleyin.
İlk olarak, biri çerçevenin üst kısmı boyunca uzanan yatay, diğeri ise tabanı ilk çubuğa bağlayan dikey, biri ise iki çubuklu bir çerçeveyi monte edin. Ardından, iki uzun iletken telin orta kısmını çerçeveye sabitleyin veya bantlayın. Her iki telin bir ucunu, iki tel birbirine paralel olacak şekilde çerçeveden sarkıtın.
Şimdi, iki kablonun ucunu anahtara ve terminallere bağlayın. Ardından kurulumu bir pile bağlayın.
Kabloların, akımın her iki kabloda da aynı yönde akacağı şekilde bağlandığından emin olun. Ardından, pili iletken kablolara bağlamak için anahtarı çevirin.
Akım içinden geçerken iki kabloyu gözlemleyin. Ardından, tellerden geçen akım akışını durdurmak için anahtarı KAPATIN.
Kablolardan geçen akımın yönünü değiştirmek için anahtarın yönünü tersine çevirin. Akım AÇIK olduğunda iki kabloyu gözlemleyin.
Şimdi protokolleri gözden geçirdikten sonra, yapılan deneylerin sonuçlarını gözden geçirelim.
Pusula iğneleri ile yapılan deneyde, başlangıçta iğneler rastgele yönlendirilir. Akımın uygulanmasında, pusula iğneleri kendilerini dairesel bir düzende yerel manyetik alanla hizalar.
Akımın yönü tersine çevrildiğinde, yerel manyetik alan tersine döner ve bu da pusula iğnelerinin yönünü tersine çevirir.
Benzer şekilde, çubuk mıknatısın kuzey kutbu pusula iğnelerine yaklaştırıldığında, yerel bir manyetik alan oluşturur ve pusula iğneleri bu yerel manyetik alan çizgileri boyunca hizalanır.
Ve çubuk mıknatıs ters çevrildiğinde, manyetik alanın yönü de tersine döner, bu da pusula iğnelerinin yönünü tersine çevirir.
İki uzun tel ile yapılan deneyde, içlerinde akan akım aynı yöne sahip olduğunda teller birbirine çekilir. Bunun nedeni manyetik alan tarafından üretilen Lorentz kuvvetidir.
Sağ el kuralına göre, sol tel, sağ telin bulunduğu yerdeki akım akışına dik yönü gösteren bir manyetik alan üretir. Şimdi, diğer sağ el kuralını kullanın ve parmaklarınızı akımın ve manyetik alanların yönü boyunca yerleştirin. Daha sonra uzatılmış başparmak Lorentz kuvvetinin yönünü verir. Bu durumda, kuvvet sol tele doğrudur ve bu nedenle çekicidir.
Öte yandan, iki teldeki akım akışı birbirine zıt yönlerde olduğunda, sağ el kuralı, sağ tel bölgesindeki Lorentz kuvvetinin yönünün sol telden uzak olduğunu gösterir ve bu da kuvveti itici hale getirir. Bu nedenle, iki tel birbirinden itilir.
Manyetik alanlar çevremizdeki her yerde bulunur ve şu anda navigasyondan klinik ortama kadar çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. Şimdi manyetik alanların birkaç yaygın uygulamasına bakalım.
Yüzyıllar önce, Çin'in Song hanedanı, navigasyon için kullanılan ilk manyetik pusulayı icat etti. O zamandan beri, yön için dünyanın kendi manyetik alanıyla birlikte çalışan pusulaya güveniyoruz.
Dünyanın manyetik güney kutbu, coğrafi kuzey kutbunun yakınında yer almaktadır. Böylece, bir pusula iğnesinin manyetik kuzey kutbu, dünyanın manyetik alanına hizalanır ve dünyanın coğrafi kuzeyini gösterir.
Manyetik alanların ayrıca tıp ve tıbbi teşhis alanında çok sayıda uygulaması vardır. Manyetik alanların en yaygın kullanımı manyetik rezonans görüntüleme veya MRG'dir. MRI tarayıcıları, vücudun içinin görüntülerini oluşturmak için güçlü manyetik alanlar ve alan gradyanları kullanır.
Az önce JoVE'nin manyetik alanlarla tanışmasını izlediniz. Artık pusula iğnelerini kullanarak manyetik alanları nasıl görselleştireceğinizi bilmeli ve bir akım tarafından üretilen bir manyetik alanın Lorentz kuvvetinin neredeyse paralel olan başka bir akımı nasıl etkilediğini anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler!
