Manyetik Malzemelerin Temel Kavramları
Manyetik Dipol Anı
Aynı dış manyetik alana maruz kalınca, farklı malzemeler çok farklı tepkiler gösterebilir. Bu konuyu anlamak için önce manyetik dipollerin manyetik davranışları üzerinde nasıl etki ettiklerini kavramamız gerekmektedir. Bu anlayış, manyetik dipol anının incelenmesiyle başlar.
Manyetik dipol anı, genellikle basitleştirilmiş olarak manyetik an olarak adlandırılır, elektromanyetizmada temel bir kavramdır. Elektrik akımını taşan bir döngü ile homojen bir manyetik alan arasındaki etkileşimi anlamak ve nicelendirmek için güçlü bir araç sağlar. Akım döngüsünün manyetik anı, A alanı ve I akımı taşıyan bir döngü için aşağıdaki gibi tanımlanır:
Alanın bir vektör olarak tanımlandığına dikkat edin, bu da manyetik anı bir vektör büyüklüğü haline getirir. Her iki vektörün de aynı yönü vardır.
Manyetik anın yönü, döngünün düzlemine diktir. Sağ el kuralı uygulanarak bulunabilir—Eğer sağ elinizin parmaklarını akım akışına uygun şekilde kıvrarsanız, baş parmağınız manyetik an vektörünün yönünü gösterir. Bu, Şekil 1'de gösterilmiştir.
Bir döngünün manyetik anı, sadece onun üzerinden geçen akım ve kapladığı alan tarafından belirlenir. Döngünün şekli bu değeri etkilemez.
Tork ve Manyetik An
Şekil 2'ye bakın, burada bir homojen manyetik alan içinde yer alan bir akım döngüsü gösterilmiştir.
Yukarıdaki şemada:
I, akımı temsil eder.
B, manyetik alan vektörünü temsil eder.
u, manyetik anı temsil eder.
θ, manyetik an vektörü ile manyetik alan vektörü arasındaki açıyı gösterir.
Döngünün karşı taraflarındaki kuvvetler birbirini dengelediği için, döngü üzerindeki net kuvvet sıfıra eşittir. Ancak, döngü manyetik bir torka maruz kalır. Bu torkun döngü üzerindeki büyüklüğü şu şekilde verilir:
Denklem 2'den, tork (t) manyetik anla doğrudan ilişkili olduğunu açıkça görebiliriz. Çünkü manyetik an, bir manyet olarak davranır; dış bir manyetik alanda yerleştirildiğinde, bir tork yaşar. Bu tork her zaman döngüyü istikrarlı denge pozisyonuna doğru döndürme eğilimindedir.
İstikrarlı denge, manyetik alan döngünün düzlemine dik olduğunda (yani, θ=0^o ) sağlanır. Eğer döngü bu pozisondan hafifçe dönüştürüldüğünde, tork döngüyü tekrar denge durumuna geri getirmeye çalışır. Tork ayrıca θ=180^o olduğunda da sıfırdır. Ancak bu durumda, döngü istikrarsız bir denge durumundadır. θ=180^o noktasından hafifçe dönüştürüldüğünde, tork döngüyü bu noktadan daha da uzaklaştırarak θ=0^o noktasına doğru itecektir.
Manyetik An Neden Önemlidir?
Birçok cihaz, bir akım döngüsü ile manyetik alan arasındaki etkileşime bağlıdır. Örneğin, bir elektrik motorunun oluşturduğu tork, motorun manyetik alanının ve akım taşıyan iletkenlerin etkileşimi üzerine kuruludur. Bu etkileşim sırasında, iletkenler dönerken potansiyel enerji değişir.
Manyetik an ile dış manyetik alan arasındaki etkileşim, manyetik sistemimizde potansiyel enerjiyi oluşturur. Bu iki vektör arasındaki açı, sistemin depoladığı enerjinin (U) miktarını belirler, aşağıdaki denklemde gösterildiği gibi:
Aşağıda, birkaç önemli yapılandırma için depolanan enerji değerleri sunulmaktadır:
When θ=0^o , the system is in a stable equilibrium state, and the stored energy reaches its minimum, with U=-uB.
When θ=90^o , the stored energy has risen to U=0 .
When θ=180^o, the stored energy attains its maximum value, U=uB . This particular state represents the unstable equilibrium position.
Atomik Model Aracılığıyla Net Manyetik Anın Anlaşılması
Manyetik maddelerin bir manyetik alan nasıl ürettiğini tam olarak anlamak için kuantum mekaniğine girmek gerekir. Ancak, bu konunun bu makalenin kapsamı dışında olması nedeniyle, manyetik an kavramını ve klasik atomik modeli kullanarak, maddelerin dış manyetik alanla nasıl etkileşime girdiğini anlama konusunda değerli bilgiler edinebiliriz.
Bu model, bir elektronun hem atom çekirdeği etrafında döndüğünü hem de kendi ekseninde döndüğünü gösterir, Şekil 3'te gösterildiği gibi.
Elektronların, Atomların ve Nesnelerin Net Manyetik Anı
Bir elektronun yörüngesel hareketi, küçük bir akım döngüsüne benzer. Bu nedenle, bir manyetik an oluşturur (yukarıdaki şemada (u1) olarak gösterilmiştir). Benzer şekilde, elektronun dönme hareketi de bir manyetik an (u2) oluşturur. Bir elektronun net manyetik anı, bu iki manyetik anın vektörel toplamıdır.
Bir atomun net manyetik anı, tüm elektronlarının manyetik anlarının vektörel toplamıdır. Atomun protonları da bir manyetik dipol sahibidir, ancak genellikle elektronlara kıyasla etkileri ihmal edilebilir düzeydedir.
Bir nesnenin net manyetik anı, içindeki tüm atomların manyetik anlarının vektörel toplamı ile belirlenir.
Magnetizasyon Vektörü
Bir malzemenin manyetik özellikleri, onun bileşen parçacıklarının manyetik anlarına bağlıdır. Bu makalede daha önce tartışıldığı gibi, bu manyetik anlar, küçük mıknatıslar olarak düşünülebilir. Bir malzeme dış bir manyetik alana yerleştirildiğinde, malzemenin içindeki atomik manyetik anlar, uygulanan alanda etkileşime girer ve bir tork yaşar. Bu tork, manyetik anların aynı yöne hizalanmasını sağlar.
Bir maddenin manyetik durumu, malzemedeki atomik manyetik anların sayısı ve hizalamalarına bağlıdır. Mikroskopik akım döngüleri tarafından üretilen manyetik anlar rastgele yönlendirilmişse, birbiriyle karşılıklı olarak iptal edeceklerdir ve sonuçta önemsiz bir net manyetik alan oluşacaktır. Maddenin manyetik durumunu tanımlamak için magnetizasyon vektörünü tanıtıyoruz. Maddedeki toplam manyetik anın birim hacim başına tanımıdır:
V, malzemenin hacmini temsil eder.
Malzeme dış bir manyetik alana maruz kaldığında, manyetik anları hizalanmaya eğilimlidir, bu da magnetizasyon vektörünün büyüklüğünü artırır. Magnetizasyon vektörünün özellikleri, malzemenin paramanyetik, ferromanyetik veya diamanyetik olarak sınıflandırılmasına bağlıdır.
Paramanyetik ve ferromanyetik malzemeler, kalıcı manyetik anlara sahip atomlardan oluşur. Buna karşılık, diamanyetik malzemelerdeki atomik manyetik anlar kalıcı değildir.
Toplam Manyetik Alanı Bulmak: Permeabilite ve Kuyrukçuluk
Bir malzemeyi bir manyetik alana yerleştirdiğimizi varsayalım. Malzemenin içindeki toplam manyetik alan, iki ayrı kaynaktan gelir:
Dıştan uygulanan manyetik alan (B0).
Dış alan sonucu malzemenin manyetizasyonu (Bm).
Malzemenin içindeki toplam manyetik alan, bu iki bileşenin toplamıdır:
B0, akım taşıyan bir iletken tarafından üretilir; Bm, manyetik malzeme tarafından üretilir. Bm'nin magnetizasyon vektörüyle orantılı olduğu gösterilebilir:
Burada μ0, serbest uzayın permeabilitesi olarak adlandırılan bir sabittir. Dolayısıyla, şu ifadeyi elde ederiz:
Magnetizasyon vektörü, dış alana aşağıdaki denklemle ilişkilidir:
Burada Yunan harfi χ, manyetik kuyrukçuluk olarak bilinen orantılılık faktörüdür. χ'nin değeri, malzemenin türüne bağlıdır.
Son iki denklemi birleştirerek, şu ifadeyi elde ederiz:
Denklemin Önemi ve Göreceli Permeabilite
Bu denklem, malzemenin içindeki toplam manyetik alanın, dıştan uygulanan manyetik alanın 1+x faktörüyle çarpıldığını gösterir. Bu faktör, göreceli permeabilite olarak adlandırılır ve bir malzemenin bir manyetik alana nasıl tepki vereceğini karakterize etmek için kritik bir parametre olarak hizmet eder. Göreceli permeabilite genellikle ur ile gösterilir.
Farklı Malzemelerin Manyetik Kuyrukçuluğu
Şekil 4, üç farklı tip malzemenin bir homojen manyetik alana yerleştirildiğinde manyetik davranışlarını gösterir. Malzemenin iç bölgesi sarı bir dikdörtgen ile gösterilmiştir.
Farklı Malzemelerin Manyetik Kuyrukçuluğu
Şekil 4(a)’da, malzemenin içindeki manyetik alan çizgileri, dışındaki çizgilere göre daha geniş aralıklıdır. Bu, bir diamanyetik malzemenin içindeki toplam manyetik alanın, dıştan uygulanan alandan hafifçe zayıf olduğunu gösterir. Diamanyetik malzemeler için, manyetik kuyrukçuluğu (X) küçük negatif bir değerdir. Örneğin, 300 K'da bakırın manyetik kuyrukçuluğu –9.8 × 10⁻⁶'dır. Bu nedenle, malzeme manyetik alanın bir kısmını içinden dışarı iter.
Şekil 4(b), bir paramanyetik malzemenin tepkisini gösterir. Burada, malzemenin içindeki manyetik alan çizgileri, dış alandaki çizgilere göre daha sıkı paklanmıştır. 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 kuyrukçuluğu 2.1 × 10⁻⁵'tür.
Son olarak, Şekil 4(c)’de, ferromanyetik malzeme manyetik alan çizgilerini bozar ve onları malzemenin içinden geçirebilir. Malzeme manyetize olur ve manyetik alanı önemli ölçüde artırır. Ferromanyetik malzemeler için X, 1,000 ila 100,000 arasında pozitif bir değer alır. Yüksek manyetik kuyrukçuluğu nedeniyle, bu malzemeler dıştan uygulanan alandan çok daha güçlü bir manyetik alan üretir.
Ferromanyetik malzemeler için, X bir sabit değildir. Sonuç olarak, manyetizasyon (M), dıştan uygulanan manyetik alan (B0) ile doğrusal bir ilişki göstermez.
Sonuç
Manyetik maddeler, transformatorlar, motorlar ve veri depolama cihazları dahil birçok uygulamada önemlidir. Bir maddenin manyetik durumu, maddedeki atomik manyetik anların sayısına ve dış bir manyetik alanda ne kadar hizalandıklarına bağlıdır. Kısa bir şekilde bahsettiğimiz gibi, bu kriterlere dayanarak manyetik maddeleri paramanyetik, diamanyetik ve ferromanyetik olmak üzere üç türe ayırabiliriz. Bu kategorileri gelecekteki bir makalede daha detaylı inceleyeceğiz.
