Mıknatıslar ve Manyetizma

Mıknatıs Nedir?

Demir, nikel, kobalt ve çelik gibi bazı metalleri çekme ve kaldırma özelliği olan maddelere mıknatıs denir. Bir demir oksit bileşiği (Fe₃O₄ veya FeO.Fe₂O₃) olan magnetit veya manyetit (mıknatıs taşı) doğal bir mıknatıstır. Ancak bugün kullandığımız mıknatısların çoğu sonradan kalıcı mıknatıslık özelliği kazandırılmış olan çeşitli metallerin karışımından oluşan alaşımlardır.

Mıknatısları ve etkilerini inceleyen fiziğin alt bir dalına magnetizma veya manyetizma denir. Magnetizma sözcüğü, antik dönem de bugünkü Aydın ilimizin yakınlarında kurulmuş olan ve magnetit taşının ilk çıkarıldığı yer olarak bilinen Magnesia kentinden gelmektedir.

Kutup noktaları mıknatıslık özelliğinin (manyetik etkinin) en güçlü olduğu bölgelerdir. Örneğin, çubuk şeklindeki bir mıknatısı demir tozu parçalarının bulunduğu bir kabın içerisine daldırıp çıkarttığımızda demir tozlarının mıknatısın uçlarına yapıştığını ve çubuğun ortasında hiç demir tozu parçasının toplanmadığını görürüz. Mıknatısların önemli özelliklerinden biride, serbestçe dönebilecek şekilde ağırlık merkezlerinden bir yere asıldıklarında veya özgül ağırlıklarından daha büyük bir sıvının içerisine bırakılıp yüzdürüldüklerinde her zaman kuzey-güney doğrultusunu gösterecek şekilde konumlanmalarıdır. İki mıknatısı birbirine yaklaştırdığımızda aynı kutuplar (kuzey-kuzey ve güney-güney) birbirini iterken zıt kutuplar (kuzey-güney ve güney-kuzey) birbirini çeker.

Manyetik Kutup Noktaları

İngiltere Kraliçesi I. Elizabet’in saray doktorlarından William Gilbert, 1600’li yılların başında yazdığı bir kitabında Dünya’nın dev bir mıknatıs olduğunu ve kutup noktalarının ise kuzey ve güney uçlarında bulunduğunu iddia etmişti. Örneğin manyetik bir pusulanın iğnesi, Dünya’nın neresinde olursa olsun her zaman için kuzey-güney doğrultusunu gösterir. İğnenin kuzeye bakan ucunun gösterdiği noktaya kuzey manyetik kutbu ve güneye bakan ucunun gösterdiği noktaya ise güney manyetik kutbu denir. Ancak Gilbert’in iddiasının aksine, Dünya’nın gerçek kuzey ve güney kutup noktaları ile pusula iğnesinin gösterdiği manyetik kuzey ve güney kutup noktaları aynı yerde değildir ve çakışmazlar.

Mıknatısların Genel Özellikleri

Mıknatıslar sadece demir, nikel ve kobalt gibi ferromanyetik malzemeleri çekebilirler.

Bir mıknatısın magnetik kuvvetinin büyüklüğü kutup noktalarında orta kısımlarına nazaran daha fazladır.

İki mıknatısı birbirine ne kadar yaklaştırırsak birbirlerine uyguladıkları itme veya çekme kuvvetin büyüklüğü de o kadar artar.

Hangi şekilde (çubuk, at nalı) olursa olsun bütün mıknatısların kuzey ve güney olmak üzere iki tane kutbu vardır.

Bir mıknatısı ikiye böldüğümüzde oluşan iki yeni mıknatısın da yine kuzey ve güney olmak üzere iki kutbu bulunur. Yani hiçbir zaman tek kutuplu bir mıknatıs elde edemeyiz.

Mıknatısların aynı kutupları (kuzey-kuzey ve güney-güney) birbirini iterler; zıt kutupları (kuzey-güney ve güney-kuzey) ise birbirini çekerler.

Dünyamız adeta dev bir mıknatıs gibidir ve bu sayede bir pusula yardımı ile yönümüzü tayin edebiliriz. Çünkü Dünya’nın neresinde olursak olalım her zaman için pusulamızın ibresi magnetik kuzey-güney doğrultusunu gösterecek şekilde konumlanır.

Hayali magnetik alan kuvvet çizgilerinin mıknatısın kuzey kutbundan çıkıp güney kutbuna girdiği kabul edilir.

Mıknatıslanma Olayının Temeli: Ferromanyetizma ve Ferromanyetik Maddeler

Bütün elementler, atom denilen ve artı yüklü çekirdek ile çekirdeğin çevresindeki belirli enerji düzeylerinde (kabuk) dolanan eksi yüklü elektronlardan oluşurlar. Elektronlar, tıpkı Dünyamızın kendi ekseni etrafındaki dönme hareketine benzer ve çekirdeğin çevresindeki dönme hareketlerinin dışında ikinci bir dönme hareketi de (spin) yaparlar. Elektronlar bir elektrik yükü taşıdıklarından dolayı kendi eksenleri etrafındaki dönme hareketleri bir manyetik alanın oluşmasını sağlar ve bir yörünge de (orbital) en fazla iki elektron bulunabileceği için ve bu elektronların da dönme yönleri bir birine zıt olduğundan dolayı oluşturdukları manyetik alanlar birbirlerinin etkisini yok eder.

Örneğin, bir demir çubuğun atomlarının elektronları normal şartlar altında rastgele bir şekilde yönlenmiş olduklarından hepsi birbirinin manyetik etkisini yok eder ve sonuçta net bir manyetik alan oluşmaz. Eğer bu demir çubuğumuzu bir mıknatısın manyetik alanının içerisine sokarsak elektronların spinleri aynı yöne yönelerek düzenli bir yapı oluşturarak güçlü bir manyetik alanın oluşmasını sağlarlar. Mıknatısımızın manyetik alanından uzaklaştırsak bile demir çubuğumuz bir süre yine bir mıknatıs gibi davranmaya devam eder. İşte önceden herhangi bir mıknatıslık özelliği göstermeyen ancak bir mıknatısın manyetik alanının etkisi altına girdikten sonra mıknatıslık özelliği kazanan maddelere ferromanyetik maddeler ve bu olaya da ferromanyetizma denir. Doğal mıknatıslar, demir, nikel, kobalt ve çelik ferromanyetik malzemeler örnek olarak verilebilirler. Ancak ferromanyetik malzemeler, şekil vermek amacıyla bir çekiçle dövülür veya Curie (TC) sıcaklığını geçecek şekilde iyice ısıtılırlarsa elektronların düzeni bozulacağından dolayı mıknatıslık özelliklerini kaybederler.

Manyetik Alan ve Kuvvet Çizgileri

Bir defter yaprağını çubuk bir mıknatısın üzerine yerleştirilir ve daha sonra da bu defter yaprağının üzerine demir tozu parçaları serpiştirirsek bir süre sonra demir tozu parçalarının defter yaprağının üzerinde çizgiler halinde dizilerek özel bir desen oluşturduğunu görürüz. “Manyetik alan kuvvet çizgileri” denilen ve hiçbir şekilde birbirini kesmeyen bu çizgilerin doğrultusu, manyetik kuvvetin de doğrultusunu gösterir. Manyetik alan kuvvet çizgilerinin yönünün kuzeyden güneye doğru olduğu kabul edilir. Eğer kâğıdımızın üzerine küçük bir pusula yerleştirirsek, pusulamızın iğnesinin de altındaki kuvvet çizgileriyle aynı yönde olacak şekilde kuzey-güney doğrultusunda yöneldiğini görürüz. Kuvvet çizgilerinin yoğunluğu ve arasındaki mesafeye bakarak manyetik kuvvetin büyüklüğü veya şiddeti hakkında da bir tahminde bulunabiliriz. Kuvvet çizgilerinin, sık ve birbirine yakın olduğu yerlerde manyetik kuvvet daha güçlü iken seyrek ve uzak olduğu yerlerde ise manyetik kuvvet daha zayıftır. Kuvvet çizgilerinin geçtiği bölgenin tümüne “manyetik alan” denir.

Elektrik ve Manyetizma ilişkisi

1820 yılında Danimarkalı fizikçi Hans Christian Örsted’in, bir rastlantı sonucunda elektrik ile manyetizma arasındaki ilişkiyi keşfetmesinden önce mıknatıs yapmak için bir demir veya çelik parçası bir magnetite hep aynı yönde olmak üzere sürtülerek mıknatıslanırdı.

Örsted, 1820 yılında bir tesadüf sonucunda, serbestçe dönebilen bir pusula iğnesinin, içinden elektrik akımı geçen bir tele doğru yaklaştırıldığında hareket ettiğini gördü. Elektrik ile magnetizma arasında sıkı bir ilişki olduğunu gösteren bu olay aynı zamanda elektromıknatısların da çıkış noktası oldu.

Elektromıknatıs

Demir veya çelik bir çubuğun çevresini bakıra benzer iletken bir tel ile sıkıca sarıp, daha sonra telin uçlarını bir pilin kutuplarına bağladığımız zaman basit bir elektromıknatıs elde etmiş oluruz. Telden akım geçirildiğinde demir veya çelik çubuk bir mıknatıs gibi davranmaya başlar. Elektromıknatısın gücü bobindeki sarım sayısına ve elektrik akımının büyüklüğüne bağlıdır. Sarım sayısı ve elektrik akımı, arttırılırsa elektromıknatısın çekim gücü artarken; azaltılırsa elektromıknatısın çekim gücü azalır.

Elektromıknatısların yapısında çekirdek olarak sert çelikten yapılmış bir çubuk kullanılırsa, elektrik akımı kesilse dahi çubuk mıknatıslık özelliğini korumaya devam eder. Ancak yumuşak (saf) demirden yapılmış bir çubuk kullanılırsa elektrik akımı kesilir kesilmez çubuk mıknatıslık özelliğini kaybeder. Bu nedenden dolayı, elektromıknatıs olmayan bildiğimiz kalıcı mıknatıslar ya sert çelikten ya da kalıcı mıknatıslanma özelliği taşıyan başka alaşımlardan yapılırlar. Bakır, nikel, kobalt ve alüminyum karışımından oluşan alkino bu alaşımlara örnek olarak verilebilir.

Elektromıknatıslar bugün sanayi ve teknoloji alanında pek çok yerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Kapı zilleri, bilgisayarlar, hızlı trenler, telefon kulaklıkları, manyetolar ve hurda yükleme vinçleri elektromıknatısların kullanıldığı yerlere örnek olarak verilebilir.