Maqnəvi materialların Əsas Məfhumları
Magnetik Dipol Momenti
Aynı dış manyetik alana maruz kalan farklı maddeler, çok farklı tepkiler gösterebilir. Bu temel nedenleri anlamak için, öncelikle manyetik dipollerin manyetik davranışları üzerinde nasıl etki ettiği konusunu kavramalıyız. Bu anlayış, manyetik dipol momentinin keşfiyle başlar.
Manyetik dipol momenti, genellikle basitleştirilmiş olarak manyetik moment olarak adlandırılır ve elektromanyetizmada temel bir kavramdır. Akım taşıyan bir döngü ile düzgün bir manyetik alan arasındaki etkileşimi anlamak ve nicelendirmek için güçlü bir araç sağlar. Alanı A olan ve akım I taşıyan bir döngünün manyetik momenti şu şekilde tanımlanır:
Alanın vektör olarak tanımlanması, manyetik momentin de bir vektör büyüklüğü olmasına neden olur. Her iki vektörün yönü aynıdır.
Manyetik momentin yönü, döngünün düzlemine diktir. Sağ el kuralı uygulanarak bulunabilir—Sağ elinizin parmaklarını akım akış yönünde kıvrarsanız, başparmağınız manyetik moment vektörünün yönünü gösterir. Bu, Şekil 1'de gösterilmiştir.
Döngünün manyetik momenti, sadece onun içinden geçen akım ve kapladığı alan tarafından belirlenir. Döngünün şekli bu değeri etkilemez.
Manyetik Moment ve Tork
Şekil 2'ye bakın, düzgün bir manyetik alanda yerleştirilmiş bir akım taşıyan döngüyü göstermektedir.
Yukarıdaki şema şöyle açıklanabilir:
I akımı ifade eder.
B manyetik alan vektörünü ifade eder.
u manyetik momenti ifade eder.
θ manyetik moment vektörü ile manyetik alan vektörü arasındaki açıyı ifade eder.
Döngünün karşı taraflarındaki kuvvetler birbirini dengelediği için, döngüye etki eden toplam kuvvet sıfırdır. Ancak, döngü bir manyetik torka maruz kalır. Döngüye etki eden torkun büyüklüğü şu şekilde verilir:
Denklemden 2'den, torkun (t) manyetik momentle doğrudan ilişkili olduğunu açıkça görebiliriz. Bu, çünkü manyetik moment, bir manyetik alanda yerleştirildiğinde bir tork hisseder. Bu tork, döngüyü her zaman istikrarlı denge pozisyonuna doğru döndürme eğilimindedir.
İstikrarlı denge, manyetik alanın döngünün düzlemine dik olduğunda (yani, θ=0^o ) sağlanır. Eğer döngü bu pozisondan hafifçe dönüştürülürse, tork döngüyü tekrar denge durumuna geri getirir. Ayrıca, θ=180^o olduğunda tork da sıfırdır. Ancak, bu durumda, döngü istikrarsız denge durumundadır. θ=180^o 'dan hafifçe dönüştürüldüğünde, tork döngüyü bu noktadan daha uzaklaştırıp, θ=0^o 'ya doğru itecektir.
Manyetik Moment Neden Önemlidir?
Birçok cihaz, bir akım döngüsü ile manyetik alan arasındaki etkileşimden bağımlıdır. Örneğin, elektrik motorunun oluşturduğu tork, motorun manyetik alanı ile akım taşıyan iletkenler arasındaki etkileşim üzerine kuruludur. Bu etkileşim sırasında, iletkenlerin dönmesiyle potansiyel enerji değişir.
Manyetik sistemimizdeki potansiyel enerji, manyetik moment ile dış manyetik alan arasındaki etkileşimden kaynaklanır. Bu iki vektör arasındaki açı, sistemin depoladığı enerji miktarını (U) belirler, aşağıdaki denklemde gösterildiği gibi:
Aşağıda, birkaç önemli yapılandırma için depolanan enerji değerleri sunulmaktadır:
θ=0^o olduğunda, sistem istikrarlı denge durumundadır ve depolanan enerji en düşük seviyesine ulaşır, U=-uB.
θ=90^o olduğunda, depolanan enerji U=0'a yükselir.
θ=180^o olduğunda, depolanan enerji en yüksek değerine ulaşır, U=uB. Bu özel durum, istikrarsız denge pozisyonunu temsil eder.
Net Manyetik Momenti Atomik Model Aracılığıyla Anlama
Manyetik malzemelerin bir manyetik alan oluşturmasını tam olarak anlamak için, kuantum mekaniği konusuna girmek gereklidir. Ancak, bu makalede o konuya girmeyeceğimiz için, manyetik moment kavramını ve klasik atomik modeli kullanarak, malzemelerin dış manyetik alanla nasıl etkileşime girdiğini anlamak için değerli bilgiler edinebiliriz.
Bu model, bir elektronun atom çekirdeği etrafında döndüğünü ve kendi ekseninde dönerek hareket ettiğini gösterir, Şekil 3'te net bir şekilde görülmektedir.
Elektronların, Atomların ve Nesnelerin Net Manyetik Momenti
Bir elektronun yörüngesel hareketi, küçük bir akım taşıyan döngüye benzer. Bu nedenle, bir manyetik moment (yukarıdaki şema da (u1) olarak gösterilmiştir) oluşturur. Benzer şekilde, elektronun dönüşü de bir manyetik moment (u2) oluşturur. Elektronun net manyetik momenti, bu iki manyetik momentin vektörel toplamıdır.
Bir atomun net manyetik momenti, tüm elektronlarının manyetik momentlerinin vektörel toplamıdır. Atommeki protonların da bir manyetik dipol momenti olmasına rağmen, genellikle elektronlara kıyasla etkisi ihmal edilebilir düzeydedir.
Bir nesnenin net manyetik momenti, içindeki tüm atomların manyetik momentlerinin vektörel toplamı ile belirlenir.
Manyetizasyon Vektörü
Bir malzemenin manyetik özellikleri, oluşturan parçacıklarının manyetik momentlerine bağlıdır. Bu makalede daha önce de bahsedildiği gibi, bu manyetik momentler küçük mıknatıslar olarak düşünülebilir. Bir malzeme, dış manyetik alana yerleştirildiğinde, malzemenin içindeki atomik manyetik momentler, uygulanan alanla etkileşime girer ve bir tork hisseder. Bu tork, manyetik momentleri aynı yöne hizalamaya eğilimlidir.
Bir maddeki manyetik durum, malzemedeki atomik manyetik momentlerin sayısı ve hizalama derecesine bağlıdır. Mikroskopik akım döngüleri tarafından üretilen manyetik momentler rastgele yönlendirilmişse, birbirini iptal ederek neredeyse sıfır net manyetik alan oluştururlar. Maddeyi tanımlamak için, manyetizasyon vektörünü tanıtıyoruz. Malzemenin birim hacim başına toplam manyetik moment olarak tanımlanır:
burada V, malzemenin hacmini temsil eder.
Malzeme, dış manyetik alana maruz kaldığında, manyetik momentleri hizalanmaya eğilimlidir, bu da manyetizasyon vektörünün büyüklüğünü artırır. Manyetizasyon vektörünün özellikleri, malzemenin paramanyetik, ferromanyetik veya diamanetik olarak sınıflandırılmasına da bağlıdır.
Paramanyetik ve ferromanyetik malzemeler, kalıcı manyetik momentlere sahip atomlardan oluşur. Buna karşılık, diamanetik malzemelerdeki atomik manyetik momentler kalıcı değildir.
Toplam Manyetik Alanı Bulma: İletkenlik ve Hassaslık
Bir malzemeyi manyetik alanda yerleştirelim. Malzemenin içindeki toplam manyetik alan, iki ayrı kaynaktan gelir:
Dışarıdan uygulanan manyetik alan (B0).
Dış alanın yanıt olarak manyetize olması (Bm).
Malzemenin içindeki toplam manyetik alan, bu iki bileşenin toplamıdır:
B0, akım taşıyan bir iletken tarafından üretilir; Bm ise manyetik malzeme tarafından üretilir. Gösterilebilir ki, Bm manyetizasyon vektörüyle orantılıdır:
burada μ0, boşluğun iletkenliği adı verilen bir sabittir. Bu nedenle, şunu elde ederiz:
Manyetizasyon vektörü, dış alanla aşağıdaki denklemle ilişkilidir:
burada Yunan harfi χ, manyetik hassaslık olarak bilinen orantılılık faktörüdür. χ'nin değeri, malzemenin türüne bağlıdır.
Son iki denklemi birleştirerek, şunu elde ederiz:
Denklemin Önemi ve Göreceli İletkenlik
Bu denklem, malzemenin içindeki toplam manyetik alanın, dışarıdan uygulanan manyetik alanın 1+x ile çarpılmasıyla eşit olduğunu gösterir. Bu faktör, göreceli iletkenlik olarak adlandırılır ve bir malzemenin manyetik alana nasıl tepki vereceğini karakterize etmek için kritik bir parametredir. Göreceli iletkenlik genellikle ur ile gösterilir.
Farklı Malzemelerin Manyetik Hassaslığı
Şekil 4, üç farklı tip malzemenin düzgün bir manyetik alanda yerleştirildiğindeki manyetik davranışını gösterir. Malzemenin iç bölgesi sarı bir dikdörtgen ile gösterilmiştir.
Farklı Malzemelerin Manyetik Hassaslığı
Şekil 4(a)’da, malzemenin içindeki manyetik alan çizgileri, dışındaki çizgilere göre daha geniş aralıklıdır. Bu, diamanyetik malzemenin içindeki toplam manyetik alanın, dışarıdan uygulanan alandan hafifçe zayıf olduğunu gösterir. Diamanyetik malzemeler için, manyetik hassaslık (X) küçük negatif bir değerdir. Örneğin, 300 K'da bakırın manyetik hassaslığı –9.8 × 10⁻⁶'dır. Bu nedenle, malzeme manyetik alanın bir kısmını içinden dışarı iter.
Şekil 4(b), paramanyetik malzemenin tepkisini gösterir. Burada, malzemenin içindeki manyetik alan çizgileri, dış alandaki çizgilere göre daha sık pakettir. Bu, malzemenin içindeki toplam manyetik alanın, dış alandan hafifçe güçlü olduğunu gösterir. Paramanyetik malzemeler için, X küçük pozitif bir değerdir. Örneğin, 300 K'da lityumun manyetik hassaslığı 2.1 × 10⁻⁵'tür.
Son olarak, Şekil 4(c)’de, ferromanyetik malzeme manyetik alan çizgilerini bozar ve onları malzemenin içinden geçmeye zorlar. Malzeme manyetize olur ve içerideki manyetik alanı önemli ölçüde artırır. Ferromanyetik malzemeler için, X 1,000 ile 100,000 arasında pozitif bir değer alır. Yüksek manyetik hassaslıklarından dolayı, bu malzemeler dışarıdan uygulanan alandan çok daha güçlü bir manyetik alan üretir.
Ferromanyetik malzemeler için, X bir sabit değildir. Bu nedenle, manyetizasyon (M), dışarıdan uygulanan manyetik alan (B0) ile doğrusal bir fonksiyon değildir.
Sonuç
Manyetik malzemeler, transformatörler, motorlar ve veri depolama cihazları dahil birçok uygulamada önemlidir. Bir maddenin manyetik durumu, maddedeki atomik manyetik momentlerin sayısına ve dış manyetik alanda ne kadar hizalandıklarına bağlıdır. Kısa bir şekilde bahsettiğimiz gibi, bu kriterlere dayanarak manyetik malzemeleri paramanyetik, diamanyetik ve ferromanyetik olarak sınıflandırabiliriz. Bu kategorileri gelecekteki bir makalede daha detaylı inceleyeceğiz.
