Manyetik alan nedir?
Manyetik alan, manyetik bir şeyin içindeki ve etrafındaki boşlukta manyetik kuvvetin nasıl dağıldığını tarif etmek için kullandığımız bir araçtır.
Çoğumuz günlük hayattaki manyetik nesnelere aşinayızdır ve aralarında bir kuvvetin olabileceğini fark etmişizdir. Mıknatısların iki kutbu olduğunu ve mıknatısların yönüne bağlı olarak birbirlerini çektiklerini (zıt kutuplar) ya da ittiklerini (benzer kutuplar) algılamışızdır. Bunun ise mıknatısın etrafındaki bir bölgede gerçekleştiğini fark etmişizdir. Manyetik alan, işte bu bölgeyi tanımlar.
Manyetik alan genelde iki yolla gösterilir:
- Manyetik alan matematiksel olarak vektör alanı olarak tarif edilir. Bu vektör alanı noktalı bir alan üzerine vektörlerin çizilmesiyle doğrudan gösterilebilir. Her vektör pusulanın gösterdiği yönü işaret eder ve uzunluğu manyetik kuvvetin büyüklüğüne bağlıdır.
Birçok küçük pusulayı noktalı alan örüntüsünde dizmek ve bu alanı manyetik alana koymak bu tekniği tasvir eder. Buradaki tek fark, pusulanın alanın büyüklüğünü göstermemesidir.
Şekil 1: Bir çubuk mıknatıs için vektör alanı grafiği. - Bir vektör alanının içerdiği bilgiyi göstermenin alternatif yolu alan çizgilerini kullanmaktır. Bu yöntemde noktalı alan şeklinden vazgeçeriz ve vektörleri düz çizgilerle birbirine bağlarız. İstediğimiz kadar çizgi çizebiliriz.
Alan-çizgi tanımlamasının şöyle kullanışlı özellikleri vardır:
Şekil 2: Bir çubuk mıknatıs için alan-çizgi grafiği- Manyetik alan çizgileri asla kesişmez.
- Manyetik alan çizgileri manyetik alanın güçlü olduğu bölgelerde doğal olarak kümelenir. Yani, manyetik alan çizgilerinin yoğunluğu o bölgedeki alanın gücünü gösterir.
- Manyetik alan çizgileri herhangi bir yerde başlamaz veya bitmez, daima kapalı döngüler oluştururlar ve manyetik bir maddenin içinde devam ederler (ancak bazen bu şekilde çizilmezler).
- Alanın yönünü gösterebilmek için bir yola ihtiyaç duyarız. Bu genellikle çizgi boyunca ok uçları çizilerek yapılır. Bazen ok uçları çizilmez ve yönü başka bir yolla göstermek zorunda kalırız. Tarihsel sebeplerden ötürü, bir bölgeyi 'kuzey', bir diğer bölgeyi ise 'güney' olarak işaretlemek ve alan çizgilerini sadece bu 'kutuplardan' çizmek gibi bir uygulama vardır. Alanın kuzeyden güneye giden çizgileri izlediği varsayılır. Kesinlikle rastgele olmasına ve bu konumlarda özel bir şey olmamasına karşın, genellikle 'N' (kuzey) ve 'S' (güney) harfleri manyetik alan kaynağının uç noktalarına yerleştirilir.
- Alan çizgileri gerçek dünyada çok kolay görselleştirilebilir. Bu, genelde demir tozlarının manyetik bir şeyin yakınındaki bir yüzeye atılmasıyla yapılır. Her bir toz kuzey ve güney kutbu olan minik bir mıknatıs gibi davranır. Tozlar doğal olarak birbirinden ayrılır çünkü benzer kutuplar birbirini iter. Sonuçta alan çizgilerini andıran bir şekil oluşur. Genel şekil hep aynı olsa da, toz çizgilerinin tam konum ve yoğunluğu tozların nasıl düştüklerine, boyutlarına ve manyetik özelliklerine bağlıdır.
Şekil 3: Bir çubuk mıknatısın etrafındaki manyetik alan çizgilerinin demir tozları kullanılarak gösterilmesi.
- Alan çizgileri gerçek dünyada çok kolay görselleştirilebilir. Bu, genelde demir tozlarının manyetik bir şeyin yakınındaki bir yüzeye atılmasıyla yapılır. Her bir toz kuzey ve güney kutbu olan minik bir mıknatıs gibi davranır. Tozlar doğal olarak birbirinden ayrılır çünkü benzer kutuplar birbirini iter. Sonuçta alan çizgilerini andıran bir şekil oluşur. Genel şekil hep aynı olsa da, toz çizgilerinin tam konum ve yoğunluğu tozların nasıl düştüklerine, boyutlarına ve manyetik özelliklerine bağlıdır.
Manyetik alanları nasıl ölçeriz?
Manyetik alan bir vektör miktarı olduğundan, bunu tanımlamak için ölçmemiz gereken iki özelliği vardır; büyüklüğü ve yönü.
Yönü ölçmek kolaydır. Alan çizgileriyle hizalanan bir manyetik pusula kullanabiliriz. Manyetik pusulalar yön bulmak için (Dünya'nın manyetik alanını kullanarak) 11. yüzyıldan beri kullanılmaktadır.
İlginçtir ki büyüklüğünü ölçmek çok daha zordur. Pratik manyetometreler ancak 19. yüzyılda kullanılabilir hale gelmiştir. Bu manyetometrelerin birçoğu, manyetik alanda hareket eden bir elektrona etkiyen kuvvetten yararlanarak çalışır.
Küçük manyetik alanları hassas bir şekilde ölçmek, 1988'deki özel katmanlı malzemelerdeki dev manyetorezistansın keşfinden sonra pratik hale gelmiştir. Temel fizikteki bu keşif, bilgisayarlarda veri depolayan manyetik hard-disk teknolojisine hızlı bir şekilde uygulanmıştır. Bu, teknolojinin uygulanmasından sadece birkaç yıl sonra veri depolama kapasitesinde bin katlık bir artışa neden olmuştur (1991 ve 2003 yılları arasında 0,1'den 100 G, b, i, t, slash, i, n, c, h, squared ye [2]). 2007 yılında Albert Fert ve Peter Grünberg bu keşifleriyle Nobel Fizik Ödülü'nü kazanmışlardır.
SI sistemine göre manyetik alan tesla (T, Nikola Tesla'nın ismi verilmiştir) birimiyle ölçülür. Tesla, hareket eden yüke alan tarafından ne kadarlık bir kuvvetin etki ettiğine göre tanımlanır. Küçük bir buzdolabı mıknatısı 0, comma, 001, space, T civarında bir alan üretirken, Dünya'nın manyetik alanı ise yaklaşık 5, dot, 10, start superscript, minus, 5, end superscript, space, T'dır. Alternatif bir ölçüm de sıkça kullanılır: Gauss (sembolü G). Burada kolay bir çevirme katsayısı vardır, 1, space, T, equals, 10, start superscript, 4, end superscript, space, G. Gauss sık sık kullanılır çünkü 1 Tesla çok büyük bir manyetik alandır.
Denklemlerde manyetik alanın büyüklüğü B sembolü ile gösterilir. Ayrıca H sembolü ile gösterilen manyetik alan niceliği ile de karşılaşabilirsiniz. B ve H aynı birimlere sahiptir ancak H, manyetik maddeler tarafından yoğunlaştırılan manyetik alanların etkisini de dikkate alır. Hava ortamında gerçekleşen basit problemler için bu ayrımı hesaba katmanız gerekmez.
Manyetik alanın kökeni nedir?
Manyetik alanlar yük hareket halindeyken ortaya çıkar. Daha çok yük daha çok hareket ettirilirse, manyetik alanın büyüklüğü artar.
Manyetizma ve manyetik alanlar, doğanın dört temel kuvvetinden biri olan elektromanyetik kuvvetin bir yönüdür.
Bir yükü hareket ettirebilmemizi ve işe yarar bir manyetik alan oluşturabilmemizi sağlayan iki basit yol vardır:
- Bir kablodan, örneğin onu bir pile bağlayarak, akım geçmesini sağlayabiliriz. Akımı (hareket halindeki yük miktarı) artırdığımızda, alan da orantılı olarak artar. Kablodan uzaklaştıkça gözlemlediğimiz alan uzaklıkla orantılı olarak azalır. Bu durum Amper Yasası ile açıklanır. Kısaca şöyle söyleyebiliriz: I akımı taşıyan uzun düz bir telden r kadar uzaklıktaki manyetik alanın denklemi şudur:
Burada mu, start subscript, 0, end subscript boşluğun geçirgenliği olarak bilinen özel bir sabittir. mu, start subscript, 0, end subscript, equals, 4, pi, dot, 10, start superscript, minus, 7, end superscript, space, T, dot, m, slash, A. Bazı maddelerin manyetik alanları konsantre etme yeteneği vardır, bu yetenek o maddelerin yüksek geçirgenliği olduğu şeklinde ifade edilir.
Manyetik alan bir vektör olduğu için, aynı zamanda yönünü de bilmemiz gerekir. Düz bir telden geçen konvansiyonel akım için bu, sağ el kuralı ile bulanabilir. Bu kuralı kullanmak için, baş parmağınız akımın yönünü gösterirken elinizle teli kavradığınızı hayal edin. Parmaklarınız, telin etrafını saran manyetik alanın yönünü gösterir.
Şekil 4: Akımın yönüne (I) bağlı olarak manyetik alanın yönünü (B) bulmak için kullanılan sağ el kuralı. [3]
![Akımın yönüne (I) bağlı olarak manyetik alanın yönünü (B) bulmak için kullanılan sağ el kuralı. [3]](https://cdn.kastatic.org/ka-perseus-images/ba47e93ba2d87bd96647ab1409ac25b6fae5861f.svg)
- Elektronların (yüklü olan) atomların çekirdeği etrafında hareketleri varmış gibi
görünmeleri gerçeğini kullanabiliriz. Bu kalıcı mıknatısların çalışma şeklidir. Tecrübelerimizden biliyoruz ki, sadece bazı 'özel' maddeler mıknatısa dönüştürülebilir ve bazı mıknatıslar daha güçlüdür. Yani, bazı belirli koşulların sağlanması gerekir: - Atomlar genellikle birçok elektron içerse de, elektronlar çoğunlukla bir çiftin genel manyetik alanını sıfırlayacak şekilde 'eşleşirler'. Bu şekilde eşleşmiş iki elektrona zıt kutuplu denir. Yani, eğer bir şeyin manyetik olmasını istiyorsak, bir ya da birden fazla aynı yönlü eşlenmemiş elektron içeren atomlara ihtiyacımız vardır. Örneğin demir bu tür dört tane elektron içeren 'özel' bir maddedir ve dolayısıyla mıknatıs yapımı için uygundur.
- Küçücük bir madde bile milyarlarca atom içerir. Eğer hepsi rastgele bir şekilde yönlenmişse, maddenin kaç tane eşlenmemiş elektronu olduğu fark etmeksizin, genel manyetik alan birbirini sıfırlar. Madde, tercih edilen yönlendirmenin sağlanabilmesi için oda sıcaklığında yeterince kararlı olmak zorundadır. Eğer yönlendirme sürekli olarak yapılırsa kalıcı bir mıknatısımız olur ve bu maddeler aynı zamanda ferromanyetik olarak da bilinir.
- Bazı maddeler, sadece harici bir manyetik alanın varlığında manyetik olabilecek kadar yönlendirilebilirler. Bu harici manyetik alan bütün elektronların dönüşleri için bir hiza sağlar, ancak bu hizalanma harici manyetik alan kaldırıldığı anda kaybolur. Bu tip maddeler paramanyetik olarak adlandırılırlar.Bir buzdolabının kapağının metali paramanyetik maddelere örnek olarak verilebilir. Buzdolabı kapağının kendisi manyetik değildir, ancak üzerine bir buzdolabı mıknatısını koyduğumuzda mıknatıs gibi davranır. Buzdolabına alışveriş listemizi koyduğumuzda kolaylıkla tutacak kadar güçlü bir şekilde birbirlerini çekerler.
Dünya'nın manyetik alanının etkisini kırmak
Şekil 5'te dikey bir telin yanına yerleştirilen pusulanın olduğu bir düzenek gösterilmektedir. Telden bir akım geçmediğinde, pusula Dünya'nın manyetik alanından (Dünya'nın manyetik alanının 5, dot, 10, start superscript, minus, 5, end superscript, space, T olduğunu kabul edelim) dolayı kuzeyi gösterir.
Şekil 5: Pusula ve tel deneyi (yukarıdan görünüş, akan akım yoktur).
Dünyanın Manyetik Alanı
yerin yaklaşık 3.200 kilometre kadar altında, dünyanın eriyik çekirdeğinde olan bitenler, biz farkında olmasak da, hayatımızın her gününe tesir ediyor. Burada; yaklaşık 5.700°C'deki, çoğunlukla sıvı demirden oluşan ve ayın hacminin üçte ikisine yakın büyüklüğe sahip olan devasa okyanus, görünmez bir kuvvetin oluşumunun sorumlusu: Dünyanın manyetik alanı. Jeodinamoyu göz önünde bulunduran kurama göre; sıvı demirin hareketi sonucu bir elektrik akımı oluşur ve bu akım manyetik alanların oluşumuna sebebiyet verir. Yüklü metal parçacıklar manyetik alanlardan geçerek devamlı ve döngüsel bir elektrik akımı yaratır. Çekirdekteki sıvı metalin daimi hareketine bağlı olarak bir miktar manyetik alan oluşur ve bu alan çekirdekte yeni akımlar oluşturur. Bu akımlar ise daha fazla manyetik alana sebep olarak geri beslemeli bir döngü yaratır.
Manyetizma, mıknatısın uyguladığı çekici ve itici güç ile hepimize tanıdık olan bir olgudur. Elektrikle bir araya geldiğinde ise günümüz teknolojisinin en temel ögelerinden biri haline gelir. Elektrik santrallerinden klasik tip televizyonlara kadar hemen her teknolojinin temelini oluşturur. Örneğin, bilgisayar sisteminin önemli bir parçası olan sabit disklerin temel çalışma prensibi, sabit disklerin manyetik materyallerden oluşmuş plaklarına bilgi depolamak üzerine kuruludur. Aslında, Dünya'nın kendisi de devasa bir mıknatıs özelliği gösterir. Aynı yer çekimi kuvveti gibi, pek de farkında olmadığımız fakat yaşamımızı genel anlamda etkiyen başka bir kuvvet ise manyetik alan kuvvetidir.
Dünya'nın çekirdeğinde oluşan manyetizma, şematik olarak, Güney Kutbu yakınlarında Dünya'dan çıkar ve gezegeninin etrafını dolaşarak Kuzey Kutbu yakınlarından tekrar çekirdeğe döner. Coğrafik ve manyetik kutuplar yakın olsa da aynı yerde değildir. Ayrıca manyetik kutuplar, Dünya'nın manyetik alanındaki değişimle birlikte yer değiştirirler. Verilere göre manyetik kutuplar, yirminci yüzyılın başlarında yılda 9 km yer değiştirirken son yıllarda artan ivmesiyle yer değişimini yılda yaklaşık 41 km'ye çıkarmış bulunuyor.
Manyetik alan Dünya'nın koruyucu güç tabakasıdır. Aynı kapalı bir alanın sağladığı koruyuculuk gibi, manyetik alan da Dünya'yı uzaydaki olumsuz hava koşulları ve radyasyondan korur. Galaksiler boyu esebilen radyasyon rüzgarlarının çoğu yıldız patlamalarından yayılan ve Dünya'ya zarar verebilecek parçacıklardan oluşur. Kaldı ki bunun için çok uzağa gitmemize gerek yoktur; hali hazırda koca bir termonükleer fırın olan Güneş de patlamalar esnasında yüksek miktarda tehlikeli madde salınımına yol açar. Her birkaç saatte bir Dünya, Güneş'in çok sayıda yüklü parçacık püskürtmesiyle oluşan rüzgarlara maruz kalır. Bu olaya güneş rüzgarları (solar wind) da denir. Manyetizma sayesinde yüklü parçacıklardan oluşan rüzgarların etkinliği bastırılır; bu parçacıkların, Dünya'ya zarar vermeden, Dünya'nın çevresinden akması sağlanır. Bu akış esnasında oluşan enerji, Kuzey ve Güney Işıkları (aurora borealis) olarak belirli zamanlarda Dünya'da gözlemlenebilir hale gelir.
Yüklü parçacıklar, aynı bir metal telden geçen akım gibi manyetik alan çizgileri boyunca hareket eder. Güneş de Dünya'ya benzer ve çoğunlukla hidrojenden oluşan bir atmosfere sahiptir. Güneş, sahip olduğu yüksek ısının sağladığı enerjinin yardımıyla, solar sisteme manyetik alanı boyunca yüksek hızda ve yüklü parçacıklar yayar. Bu solar rüzgarlar Dünya'nın manyetik alanına etkiyerek manyetik alan çizgilerinin şekil değiştirmesine sebep olur. Manyetik etkileşim sonucu, Dünya'nın Güneş'e bakan yüzündeki manyetik açıdan güçlenen alan manyetosfer (magnetosfer); aksi yöndeki ve manyetik olarak yoğunluğu azalmış alan ise manyetik kuyruk (magnetotail) olarak adlandırılır. Solar rüzgarların Dünya'nın manyetik alanı üzerinde uyguladığı basınç enerji oluşumuna yol açar. Oluşan enerji devamlı olarak manyetosferde toplanır. Solar parçacıkların Güneş'e geri dönüşü için, kuyruk bölgesinden manyetosfere doğru akışı Dünya'nın iki ucu arasında elektrostatik bir potansiyel farkı oluşumuna sebebiyet verir. Oluşan voltaj, elektronların manyetik kutuplara doğru itilmesine neden olur. Manyetik alan çizgileri boyunca hızlanarak kutuplara itilen çok sayıda elektron atmosferin üst katmanlarına kadar aşağı doğrultuda itilir. İyonosferde elektronların gaz atomlarıyla çarpışması sonucu enerji açığa çıkar. Sonuç olarak iyonosferdeki gazlar parlamaya yol açar ve elektronların kutup alanlarının dışına doğru akışına olanak verir. Bu gözlemlenebilir, renkli ve hareketli ışımalar Aurora olarak adlandırılır.
Manyetik alanın pusula iğnesini kuzeye saptırmaktan çok daha öte yaptırımları vardır: Dünya'nın, yaşayan bir gezegen olarak kalmasına yardım eder. Dünyanın aksine, en yakınımızdaki gezegenler olan Venüs ve Mars zayıf manyetik alanlara sahiptir. Bu durum ise onları güneş sistemi boyunca dolaşan ölümcül radyasyona karşı korumasız kılar. Öte yandan Dünya, manyetik alanı sayesinde milyarlarca yıldır yaşayan bir gezegen olarak uzayın derinliklerinde var olmayı sürdürüyor. Ancak, bu görünmez kalkanın gücünün her geçen gün zayıfladığı ortaya çıkarıldı; sıvı demirden oluşan eriyik çekirdeğin manyetik alanı oluşturma yeteneği azalıyor gibi görünüyor. Bu zayıflamanın, manyetik alanın kuvvetini bin yıl gibi nispeten oldukça kısa bir süre sonra kaybetmesine yol açacak kadar hızlı olması ise sonuca dair başka bir istenmeyen senaryoyu doğuruyor. Bilim adamlarını korkutan sorular, dünyanın gerçekten manyetik alanını kaybedebilip kaybedemeyeceği ve eğer kaybederse ne olacağı üzerine yoğunlaşıyor.
Manyetik alanın zayıflamasını araştıran bilim adamlarının, Dünya'nın manyetik alanının milyonlarca yıl öncesine uzanan kalıntılarını içinde barındıran ve Pasifik'in ortasında yer alan volkanik adaları incelemesiyle beklenmedik bir olasılık gündeme geldi. Kanıtlar manyetik alanın gücünde kademeli bir düşüşün aksine ani ve büyük manyetik değişiklere işaret ediyordu. Havaii Adaları'ndaki yanardağlar zamanla adaların oluşumuna olanak vermiş ve her lav katmanı püskürtüldüğü anın manyetik kaydını saklamayı başarmıştı. Soğuyan lavlarla gözlemlenebilir hale gelen manyetik kayıt, alanın şiddeti ve yönü hakkında bilgi veriebilecek niteliğe sahip. Kilauea yanardağından alınan soğumuş ve katılaşmış lav örnekleri Dünya'nın manyetik alanının yönünün farklı olduğu zaman dilimlerini açığa çıkarttı. Dünya'nın bilinen manyetik alan yönü güneyden kuzeye doğrudur; pusula iğnesinin kuzeye yönelimi de bu sebeptendir. Ancak yakın zamana ait lav örneklerinden elde edilen kayıtlar manyetik alanın yönünü kuzeye doğru işaret ederken eski lav örnekleri güneyi işaret ediyordu. İlerleyen araştırmalar, ortalama her 200 bin yılda bir Dünya'nın manyetik alanının ani ve 180 derecelik bir değişime uğradığını gösterdi. Verilere göre son değişimi ise 780 bin yıl önce olmuştu. Dünya'nın manyetik alanının simüle edilmesiyle manyetik alandaki değişim bilgisayar ortamında da gözlemlenebilir hale geldi. Asıl dikkati çeken nokta ise yer değişiminden önce kutuplarda görülen manyetik zayıflamaydı. Bazı bilim adamları tarafından kabul görmemiş bir teori de olsa bulgular, Dünya'nın yeni bir manyetik taklaya doğru hızla ilerliyor olabileceği çıkarımını destekliyor. Manyetik alan şiddetindeki azalmanın kaç yıl daha süreceği öngörülemese de daha fazla kozmik ışınımın manyetik alanı aşarak yeryüzündeki radyasyon seviyesini artıracağı tahmin ediliyor. Henüz, manyetik alan kozmik radyasyonu yaşamın sık rastlanmadığı kuzey ve güney uçlara yönlendirerek devinimi sağlayabiliyor. Fakat zayıflama çok daha farklı kutupsal yapılaşmalara neden olabilecek, ki bu durum en azından kozmik radyasyona maruz kalacak bölgeleri farklılaştırabilecek. Manyetik alan zayıflamasının ardından manyetik gücünü kaybederek atmosferinin yapısını büyük ölçüde kaybeden Mars'ın aksine, Dünya'nın zayıflamadan sonra da manyetik takla sonucu kendisini toparlayabileceği fakat bu süreçte atmosferinin savunmasızlığından kaynaklı radyasyon artışının insanlığı etkileyeceği düşünülüyor.
Manyetizma, mıknatısın uyguladığı çekici ve itici güç ile hepimize tanıdık olan bir olgudur. Elektrikle bir araya geldiğinde ise günümüz teknolojisinin en temel ögelerinden biri haline gelir. Elektrik santrallerinden klasik tip televizyonlara kadar hemen her teknolojinin temelini oluşturur. Örneğin, bilgisayar sisteminin önemli bir parçası olan sabit disklerin temel çalışma prensibi, sabit disklerin manyetik materyallerden oluşmuş plaklarına bilgi depolamak üzerine kuruludur. Aslında, Dünya'nın kendisi de devasa bir mıknatıs özelliği gösterir. Aynı yer çekimi kuvveti gibi, pek de farkında olmadığımız fakat yaşamımızı genel anlamda etkiyen başka bir kuvvet ise manyetik alan kuvvetidir.Referanslar
Kaynak: http://spacemath.gsfc.nasa.gov
[1] Newton Henry Black, Harvey N. Davis (1913) Practical Physics, The MacMillan Co., USA, sayfa 242, şekil 200 (herkese açık kullanım)
[2] UK Success Stories in Industrial Mathematics. Philip J. Aston, Anthony J. Mulholland, Katherine M.M. Tant. Springer, 4 Şubat 2016
[3] Wikimedia Commons'tan alınmış bir dosyadır. Dosyanın lisansları: the Creative Commons Attribution-Share Alike 4,0 International, 3,0 Unported, 2,5 Generic, 2,0 Generic ve 1,0 Generic license.
