Hurdalıktaki Vinç Arabayı Nasıl Kaldırır, Nasıl Bırakır?
Hurdalıklardaki vinçlerin ucunda kanca değil, büyük bir disk vardır. Disk bir otomobil gövdesinin üstüne indirilir, operatör düğmeye basar ve tonlarca demir havaya kalkar. Düğme bırakılınca yük düşer. Kalıcı mıknatıs bunu yapamaz; onu kapatamazsınız.
Disk bir elektromıknatıstır: içinde demir çekirdeğe sarılmış bir makara var. Akım geçince alan doğar, akım kesilince kaybolur. Bu konunun ilk cümlesi de budur: manyetik alanın kaynağı hareketli yüktür, yani akımdır. Durgun yük yalnız elektriksel alan üretir.
Oersted'in Pusulası: Düz Telin Alanı
1820'de Oersted, akım geçen bir telin yanındaki pusula iğnesinin saptığını gördü. Düz telin alan çizgileri teli çevreleyen iç içe çemberlerdir; şiddeti:
$B = 2k\dfrac{i}{d} \qquad k = 10^{-7} \text{ T·m/A}$
Akımla doğru, uzaklıkla düz ters orantılıdır; ters kare değil. Uzaklık 2 katına çıkarsa alan yarıya iner.
Örnek: 10 A taşıyan telin 2 cm uzağında $B = 2 \cdot 10^{-7} \cdot 10 / 0{,}02 = 10^{-4}$ T. Dünya'nın manyetik alanı yaklaşık $5 \times 10^{-5}$ T; tel ondan iki kat güçlü bir alan üretiyor, pusula bu yüzden belirgin sapar. 20 cm uzakta alan 10 kat zayıflar ve pusula neredeyse kuzeyi gösterir.
Sağ el kuralı (alan için): Başparmak akım yönünü gösterecek biçimde teli kavrayın; öteki parmakların sarılma yönü alan çizgilerinin yönüdür.
Makara ve Demir Çekirdek
Teli yay gibi sararsak her halkanın alanı makaranın içinde üst üste biner. Uzun bir makaranın içindeki alan:
$B = 4\pi k \dfrac{N i}{L}$
500 sarımlı, 25 cm uzunluğunda makaradan 2 A geçerse $B = 4\pi \cdot 10^{-7} \cdot 500 \cdot 2 / 0{,}25 \approx 5 \times 10^{-3}$ T. Sarım sayısını 2, akımı 3 katına çıkarırsak alan 6 katına çıkar; uzunluk iki katına çıkarsa, sarım aynı kaldıkça alan yarıya iner.
Makara bir çubuk mıknatıs gibi davranır: bir ucu N, öteki S. Makarada da sağ el işe yarar: parmaklar akım yönünde sarılınca başparmak N kutbunu gösterir. İçine yumuşak demir konursa demir de mıknatıslanır ve alan yüzlerce kat büyüyebilir. Vinçteki disk tam olarak budur. Yumuşak demir seçilmesinin nedeni, akım kesilince mıknatıslığını kolayca kaybetmesidir; çelik çekirdek yükü bırakmazdı.
Alan Akımlı Tele Kuvvet Uygular
$F = B\, i\, L \sin\alpha$
$\alpha$, tel ile alan arasındaki açıdır. Kuvvet, tel alana dikse ($\alpha = 90°$) kuvvet en büyük, paralelse ($\alpha = 0°$) sıfırdır.
Örnek: 0,2 T'lık alanda 30 cm'lik telden 5 A geçiyor ve tel alanla 30° açı yapıyor. $F = 0{,}2 \cdot 5 \cdot 0{,}3 \cdot 0{,}5 = 0{,}15$ N. Teli alana dik çevirirsek kuvvet $0{,}3$ N'a çıkar.
Kuvvetin yönü hem akıma hem alana diktir. Yönü bulmak için sağ elin dört parmağını alan yönünde, başparmağı akım yönünde açın; avuç içinin baktığı yön kuvvettir.
Daha zor örnek, havada asılı tel: 20 g kütleli, 50 cm uzunluğundaki yatay tel 0,4 T'lık yatay alana dik duruyor. Tel düşmeden havada kalsın diye kaç amper geçmelidir? Manyetik kuvvet ağırlığı dengelemeli: $B i L = m g$, yani $0{,}4 \cdot i \cdot 0{,}5 = 0{,}02 \cdot 10$ ve $i = 1$ A. Akım yönü ters çevrilirse kuvvet aşağı döner; tele etkiyen toplam aşağı kuvvet ağırlığının iki katı olur.
İki paralel tel: Her tel ötekinin alanında durduğu için birbirlerine kuvvet uygularlar: aynı yönlü akımlar çeker, zıt yönlüler iter. Birim uzunluğa düşen kuvvet $F/L = 2k\, i_1 i_2 / d$; 1 cm arayla 10'ar amper taşıyan tellerde bu $2 \cdot 10^{-7} \cdot 100 / 0{,}01 = 2 \times 10^{-3}$ N/m eder. Elektrikte aynı işaretli yüklerin ittiğini düşünen öğrenci burada şaşırır; manyetizmada "aynı yön çeker".
Motor ve Hoparlör
Elektrik motoru: Alan içindeki dikdörtgen çerçevenin karşılıklı kenarlarında akım zıt yönlüdür; kuvvetler de zıt yönlü ve farklı doğrultuda olduğundan çerçeveyi döndüren bir tork oluşur.
Hoparlör: Kalıcı mıknatısın alanındaki bobinden müzik sinyali taşıyan değişken akım geçer. Kuvvet akımla birlikte yön ve büyüklük değiştirir; bobine bağlı zar titreşir, havayı iterek ses üretir.
Karıştırılan Noktalar
Sık yapılan hata listesi:
1. Düz telde ters kare kullanmak. Nokta yükün elektriksel alanı $1/d^2$, düz telin manyetik alanı $1/d$ ile azalır.
2. Kuvveti akım doğrultusunda sanmak. Kuvvet akıma da alana da diktir.
3. "Paralel" kelimesini karıştırmak. Tel alana paralelse kuvvet sıfırdır; iki tel birbirine paralelse aralarında kuvvet vardır.
4. Manyetik çizgileri elektriksel gibi başlatıp bitirmek. Tek kutuplu mıknatıs olmadığı için manyetik alan çizgileri kapalı eğrilerdir.
5. Tesla ile weberi karıştırmak. Tesla alan şiddeti, weber manyetik akı birimidir.
Kendin dene: Aynı alanda, alana dik iki telden birinin uzunluğu ötekinin 2 katı, akımı yarısı. Kuvvetler oranı nedir? $F \propto iL$ olduğundan $2 \cdot \tfrac{1}{2} = 1$; kuvvetler eşit.
Sık sorulanlar
Düz telin manyetik alanı uzaklıkla nasıl değişir?
Uzaklıkla ters orantılıdır: B = 2k·i/d. Uzaklık iki katına çıkarsa alan yarıya iner; nokta yükün elektriksel alanındaki gibi ters kare değildir.
Aynı yönde akım taşıyan iki paralel tel birbirini iter mi, çeker mi?
Çeker. Zıt yönlü akımlar ise iter. Her tel ötekinin oluşturduğu manyetik alan içinde kuvvet görür.
Elektromıknatısta neden yumuşak demir çekirdek kullanılır?
Yumuşak demir makaranın alanında kolayca mıknatıslanıp alanı kat kat güçlendirir, akım kesilince de mıknatıslığını hemen kaybeder. Böylece vinç yükü istendiğinde bırakabilir.