Manyetik Sıvının Yüzey Geriliminin Işık Kırınımı
advertisement
ÖZEL EGE LĠSESĠ Manyetik Sıvının Yüzey Geriliminin IĢık Kırınımı Yöntemiyle Bulunması, Elektrik Alan ve Manyetik Alan ile Yüzey Gerilimi DeğiĢiminin Ġncelenmesi HAZIRLAYAN ÖĞRENCĠLER: Baran BAYRAKCI Kazım YÜKSEL 2013 ĠZMĠR ĠÇERĠK LĠSTESĠ Projenin Amacı………………………………………………………………………………….. 2 1. GĠRĠġ……………………………………………………………………………………………. 2 1.1 Sıvılarda Yüzey Gerilimi ……………………………………………………………….. 3 1.2 Yüzey Gerilimi Ölçme Yöntemleri…………………………………………………….. 5 1.2.1 Kılcalda (kapillerde) Yükselme Yöntemi…………………………………………. 6 1.2.2 Damla Ağırlığı Yöntemi…………………………………………………………...... 7 1.2.3. Asılı Damla Yöntemi(Pendant Drop Method)…………………………………... 8 1.2.4 Plaka Yöntemi (Wilhelmy Plate)…………………………………………………... 8 1.2.5 Halka-koparma yöntemi (Du Noüy Tensiyometresi)……………....................... 9 1.2.6 Salınımlı (Osciilating) Jet Yöntemi……………………………………………….. 10 1.3 IĢık Kırınımı ile Ölçme Yöntemi……………………………………………………….. 10 1.3.1 Işık Dalgalarında Girişim ve Kırınım……………………………………………… 11 1.3.2 Işık Kırınımı Yöntemi ile İlgili Teorik Bilgiler……………………………………… 13 1.4 Manyetik Nano Partiküllerin Üretim Yöntemi……………………………………..... 15 2.YÖNTEM……………………………………………………………………………..…………. 16 2.1 IĢık Kırınımı Deney Düzeneği ile Suyun Yüzey Geriliminin Bulunması........... 16 2.2 IĢık Kırınımı Deney Düzeneği ile Manyetik Sıvının Yüzey Geriliminin Bulunması..................................................................................................................19 2.3.IĢık Kırınımı Deney Düzeneği ile Manyetik Sıvının Elektrik Alan Altında Yüzey Geriliminin Bulunması.................................................................... 21 2.4.IĢık Kırınımı Deney Düzeneği ile Manyetik Sıvının Manyetik Alan Altında Yüzey Geriliminin Bulunması…………………………………...................... 22 3. SONUÇLAR VE TARTIġMA………………………………………………………….……... 24 TEġEKKÜR………………………………………………………………………………………. 24 KAYNAKLAR…………………………………………………………………………….………. 25 1 PROJENĠN AMACI Projenin amacı, yüzey gerilimini bilmediğimiz bir sıvının(manyetik sıvı) yüzey gerilimini hazırlanan deney düzeneği ile bulmak, elektrik alan ve manyetik alan altında sıvının yüzey geriliminin nasıl değiştiğini incelemektir. Sıvının yüzey gerilimi hesaplanmadan önce, hazırlanan deney düzeneği ile doğru ölçüm yapıldığından emin olmak için suyun yüzey geriliminin aynı yöntemle bulunarak literatürde bilinen gerçek değeri ile karşılaştırılması amaçlanmaktadır. 1. GĠRĠġ Belirli bir hacme sahip olmasına rağmen sabit bir şekli olmayan ve öteleme hareketi yapabilen maddelere sıvı madde denir. Sıvılar, içinde bulundukları kapların ya da doldurdukları hacimlerin şeklini alırlar. Sıvılar öteleme hareketi yapabilirler ve normal şartlar altında sıkıştırılamazlar. Demir, nikel ve kobalt gibi az sayıdaki maddenin sıvı hâlleri dışındaki sıvılar mıknatıstan etkilenmezler. Sıvı ve gazların her ikisine birlikte akışkanlar denir. Sıvı molekülleri bir arada tutan en önemli faktör, moleküller arası çekim kuvvetleridir. Sıvı molekülleri ile diğer maddelerin molekülleri arasında da çekim kuvveti oluşur. Aynı tür moleküller arasındaki çekme kuvvetine kohezyon kuvvetleri denir. Farklı tür moleküller arasındaki çekme kuvvetlerine adezyon kuvvetleri denir. ġekil 1. Su damlaları Kohezyon, tek bir maddenin içerisindeki atomların, moleküllerin, iyonların ve benzer parçacıkların bir arada tutulmasını sağlayan bir çekim kuvvetidir. Bundan dolayı madde kendisini oluşturan parçacıkların bir arada tutulmasından dolayı dağılmadan durabilir. Şekil 1’de görüldüğü gibi su damlacıkları örneği tipik bir kohezyon örneklemesidir. Bir su damlasını oluşturan her bir taneciğe diğer tanecikler tarafından kohezyon kuvveti etki eder. Tanecikler öteleme hareketi yapabildiğinden maruz kaldıkları bu kuvvetler nedeniyle birbirlerine yaklaşarak yüzey alanını küçültürler. Böylece damlayı oluşturan tanecikler mümkün olan en küçük uzaklıkta toplanarak bir şekil oluştururlar. Bu şekilde en küçük yüzey alanına sahip olan küredir. 2 Adezyon birbirine benzemeyen iki madde arasında meydana gelen çekim kuvvetidir. Örneğin test tüpünün içine koyduğumuz su ile civa arasında yüzeyde meydana gelen şekil farklı olacaktır. Test tüpü içerisindeki suyun yüzeyi yukarı doğru bir yay şeklinde gözükür. Civa bulunan test tüpünde ise civa yüzeyi aşağı doğru bir yay meydana getirir. Civa molekülleri arasındaki çekim kuvvetinin (kohezyon), civa molekülleri ile cam molekülleri arasındaki çekim kuvvetinden (adezyon) büyük olması nedeniyle bu durum oluşmaktadır. Adezyon ve kohezyona bağlı olan bu etkileşim, sıvı yüzeylerinde bir gerilime neden olur. Sıvıların yüzeylerinde meydana gelen bu gerilime yüzey gerilimi denir. Sıvıların özeliklerinden biri olan yüzey gerilimi aşağıda daha yakından incelenmiştir[4]. 1.1 Sıvılarda Yüzey Gerilimi Sıvı içindeki moleküller, çevresindeki diğer moleküller tarafından, her yöne moleküller arası kuvvetlerle, eşit olarak çekilirler. Oysa sıvının yüzeyindeki moleküller yalnızca sıvının iç kısmına ve yanlara doğru çekilirler. Şekil 2’de moleküller arası kuvvetlerin bir sıvının yüzeyindeki ve içindeki bir moleküle etkisi görülmektedir. Komşu moleküllerin çekiminin artışı, içerdeki molekülleri yüzeydeki moleküllerden daha düşük enerji düzeyinde tutar. Bu da, çok sayıda molekülün sıvı içine gitmesi ve az sayıda molekülün yüzeyde kalmasıdır. Bu durum, sıvı yüzeyinin küresel bir şekil alarak küçülmesine neden olur. Sıvıların yüzey alanlarını küçültmeye doğal olarak eğilimli olmaları, havada asılı duran bir sıvı damlacığının küresel oluşundan açıkça görülmektedir. Sıvı yüzeylerinde, tanecikler arasındaki çekim kuvvetlerinden kaynaklanan gerilmeye yüzey gerilimi denir. Yüzey gerilimi sıvı yüzeyinin bir zar tabakası ile kaplıymış gibi gergin olmasını sağlar. Bir sıvının içine girmek ya da sıvıdan dışarıya çıkabilmek için sıvının yüzeyinde oluşan bu zar etkisini delmek yani yüzey gerilimini yenmek gerekir. ġekil 2. Moleküller arası kuvvetlerin bir sıvının yüzeyindeki ve içindeki bir moleküle etkisi. Şekil 3’te görüldüğü gibi yüzey gerilimi sayesinde bir ataç su yüzeyinde yüzdürülebilir ve su örümceği yüzey gerilmesi sayesinde su içinde rahatça hareket edebilir. Deniz yüzeyinde ince bir film tabakası ile kaplıymış gibi bir görüntü oluşmasına neden olan da yüzey gerilimidir. Sıvı molekülleri arasındaki kuvvetler kısa menzilli kuvvetlerdir. Yüzey gerilimi, sıvının yüzeyindeki herhangi bir doğrunun birim uzunluğuna, dik doğrultuda etki eden kuvvettir. Bir sıvının yüzey gerilimi, yüzeyin her doğrultusunda ve her noktasında aynıdır. Yüzey gerilimi her sıvının 3 yüzeyinde oluşan bir özelliktir. Ancak her sıvının yüzey gerilimi eşit olmadığı gibi bir sıvının yüzey gerilimi de her zaman aynı olmaz. Sıvıların bazı özellikleri yüzey gerilimleri üzerinde etkilidir. Bir sıvının sabit bir sıcaklıktaki yüzey gerilimini, sıvının yapısına bağlı olan yüzey gerilim katsayısı belirler. ġekil 3. Yüzey gerilimi Yüzey gerilimi, sıcaklığa ve sıvıyla temas ettirilen kimyasal maddelere bağlı olarak değişim gösterebilir. Suyun yüzey gerilimi, herhangi bir sıvının yüzey geriliminden (civa hariç) büyüktür. Tablo 1’ de bazı sıvıların sıcaklık değerlerine göre yüzey gerilmeleri verilmiştir. Tablo1. Bazı sıvıların sıcaklık değerlerine göre yüzey gerilimleri. Bir sıvının yüzey gerilimi; yüzey üzerinde sıvının yüzey genişlemesine zıt olan birim uzunluk başına düşen kuvvettir. Yüzey gerilimi, yüzeye paralel olarak etkir. Yüzey geriliminin SΙ sistemindeki birimi N/m veya J/m2 dir. Örneğin suyun yüzey gerilimi 20 °C de 7,28.10-2 J/m2 olduğundan suyun yüzeyini 20 °C de 1 m2 genişletebilmek için 7,28 joule bir enerjiye veya 1m boyunca sıvı yüzeyinde yer alan moleküller arası ilişkileri kesebilmek için 7,28.10 -2N luk bir kuvvete ihtiyaç var demektir. 4 1.1.1 Yüzey Gerilimi nasıl değişir? Sıvı üzerindeki gaz yoğunluğu çok fazla arttırıldığında veya sıvı üzerine bu sıvıda çözünmeyen bir başka sıvı ilave edildiğinde sıvının yüzey gerilimi karşı fazdaki moleküllerle gireceği moleküler etkileşmeler sonucu bir miktar azalacaktır. Çoğu sıvıların yüzey gerilimleri artan sıcaklıkla doğrusal bir şekilde azalır(bazı erimiş metaller hariç) ve moleküller arası kohezyon kuvvetlerinin sıfıra yaklaştığı kritik sıcaklık civarında çok küçük bir değer olur. Bir sıvının sıcaklığı artarsa, taneciklerinin kinetik enerjileri de artar. Bu durumda tanecikler daha hızlı hareket etmeye başlar. Bu da tanecikleri birbirlerine bağlayan çekim kuvvetlerinin zayıflamasına neden olur. Çekim kuvvetlerinin azalmasından sıvının yüzeyindeki tanecikler de etkilendiği için yüzey gerilimi azalır. Benzer şekilde, deterjan ve sabun, suyun yüzey gerilimi azaltır. Küresel şekil almış su damlaları üzerine küçük bir sabun köpüğü bırakılırsa su damlasının hemen yayıldığı görülür. Bu da bize sabun köpüğünün suyun yüzey gerilimini azalttığını gösterir. Saf bir madde içerisinde bir madde çözünüyorsa çözünen maddenin ve çözücünün karakterine bağlı olarak yüzey geriliminin değiştiği gözlenir. Ayrıca çözünen maddenin sıvının iç kısımlarındaki konsantrasyonunun birbirinden farklı olması gerekir. Tuz, suyun yüzey gerilimini azaltır. Tuz, su tanecikleri arasındaki bağları zayıflattığından tanecikler arasındaki kohezyon kuvveti azalır, bundan dolayı da yüzey gerilimi azalmış olur. Çözeltiler ve karışımlar oluşurken maddelerin kimyasal yapıları, bu maddelerin moleküllerini oluşturan taneciklerin elektriksel yapıları, bu taneciklerin birbirlerine bağlanma şekilleri gibi birçok başka faktör de etkilidir. Bu nedenle karışımlar ve çözeltilerin yüzey gerilimleri karışan maddelerin özelliklerine göre farklı farklı olabilir. Hava ortamında, su ile sirke asidi karışımının yüzey gerilimi sirke asidinin katılma yüzdesine göre değişir. Örneğin 20 °C ile 30 °C sıcaklık aralığında % 100 sirke asidi için yüzey gerilimi 27,6 N/m iken, % 40 sirke asidi için yüzey gerilimi 40,68 N/m, % 20 sirke asidi için yüzey gerilimi 54,56 N/m dir. Birbiri içinde çözünmeyen iki sıvının birbirlerine temas noktasında bir yüzey gerilimi vardır ve bu nokta ne üstteki ne de alttaki sıvıya benzemektedir. Bu sıvıların her birinin ayrı ayrı yüzey gerilimleri toplamı bu iki sıvının oluşturduğu ara yüzey geriliminden her zaman büyüktür. Her sıvının yüzey geriliminde bir azalma olacağına göre bir başka deyişle sıvılar yüzey serbest enerjilerini azalttıklarına göre bu sıvıları birbirinden ayırabilmek için bir iş yapmak gerekir. Sıvılar farklı ise bu işe adezyon işi denir. Bu iş sıvılar aynı ise kohezyon işi olarak adlandırılır. Aslında kohezyon işi, bir sıvıyı ikiye bölüp yeni bir yüzey oluşturulabilmek için verilmesi gereken enerji miktarıdır. 1.2 Yüzey Gerilimi Ölçme Yöntemleri Yüzey gerilimi birçok farklı yöntemle incelenebilmektedir. En çok kullanılan yüzey gerilimi ölçme yöntemleri alt başlıklar halinde aşağıda incelenmiştir [1,2]. 5 1.2.1 Kılcalda (kapilerde) yükselme yöntemi Sadece yer çekimi etkisi altında bulunan bir kaptaki sıvının serbest yüzü yataydır. Ancak sıvı yüzeyinin kabın kenarında olan kısmı, sıvının kabı ıslatıp ıslatmamasına göre aşağı ya da yukarı doğrudur. Bu olay, dar borularda (tüplerde) (kapiler=kılcal borularda) açık olarak görülür. Kılcal borularda sıvıların yükselmesine ya da alçalmasına "kapilarite" denir. Nedeni, yüzey gerilimdir. Kılcalda, yüzey gerilimi nedeniyle yükselen sıvı, yer çekimi ile dengelenir. Eğer, sıvı molekülleri ile kılcal boru arasındaki adezyon kuvveti, sıvı molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetinden küçük ise, sıvı ıslatmaz (civa-cam gibi). Sıvı yüzeyi kılcalda, dış kaptakinden daha aşağı düzeydedir, serbest yüzeyi konveks (dış bükey=tümsek) bir halde alır. Eğer, sıvı molekülleri arasındaki kohezyon kuvveti, sıvı-cam arasındaki adezyon kuvvetinden küçük ise, sıvı camı ıslatır, yayılır. Sıvı kılcal boru içinde yükselir ve üst yüzeyi konkav (iç bükey =çukur) bir hal alır (cam-su gibi). Kılcal boruda sıvının yükselme hareketi, yüzey gerilim ile yer çekimi kuvvetinin dengelenmesine kadar devam eder. ġekil 5. Değme açısı ve kuvvet bileĢenlerinin büyütülmüĢ çizimi. ġekil 4. Bir sıvının kılcalda yükselmesi. Şekil 4’te görüldüğü gibi, iç yarıçapı r olan ve yüzeyini ıslatan bir sıvı içine daldırılmış bir boru düşünelim. Sıvı, yüzey gerilim nedeniyle boru içinde yükselmeye başlar. Yukarı doğru olan sıvı hareketi yani yükselme, yüzey gerilimi ile sıvıyı aşağıya doğru çekmeye çalışan yer çekimi kuvveti dengeye geldiği zaman durur ve boru içindeki sıvı ile ana kaptaki sıvı arasındaki yükseklik farkı yüzey geriliminin ölçülmesini sağlar. Burada kılcaldaki sıvının yüzey geriliminden kaynaklanan kuvvetin yukarı doğru dik bileşeni; 𝑎 = 𝛾𝑐𝑜𝑠𝜃 (1) olarak verilir. Bu denklemde 𝜃 sıvının yüzeyi ile kapiller çeper arasındaki açı, 𝛾 yüzey gerilimini belirtir. Şekil 5’te kılcaldaki sıvının değme açısı ve kuvvet bileşenleri büyütülmüş olarak görülmektedir. Kılcal borunun iç daire çevresi etrafındaki yukarı doğru olan toplam kuvvet ise; 6 2𝜋𝑟𝑎 = 2𝜋𝑟𝛾𝑐𝑜𝑠𝜃 (2) denklemiyle ifade edilir. Burada 2𝜋𝑟, kılcal borunun iç çevresidir. Su ve çok kullanılan birçok sıvı için temas açısı 𝜃 önemsizdir. Eğer bir sıvı bir katıyı çok iyi ıslatıyorsa 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 1 olarak alınır. Kılcaldaki sıvı en yüksek konumuna geldiğinde, karşı gelen kuvvetler ve sıvı yüzeyindeki yüzey gerilimi dengededir ve bu durum denklem (3)’ deki gibi ifade edilebilir. 2𝜋𝑟𝛾𝑐𝑜𝑠𝜃 = 𝜋𝑟 2 𝜌𝑔 (3) Burada eşitliğin sol tarafı, yukarıya doğru çeken yüzey gerilim kuvvetini; sağ taraf ise aşağıya doğru çeken yer çekim kuvvetini göstermektedir. Eşitlik, buharın yoğunluğu 𝜌0 , temas açısı 𝜃 ve menisküs üstündeki sıvı ağırlığı 𝑤 , ihmal edilirse denklem (4)’teki gibi yazılır. 1 𝛾 = 𝑟𝜌𝑔 2 (4) Bu denklemde 𝛾 yüzey gerilimini (dyn/cm), 𝑟 kılcal borunun çapını (cm), 𝜌 sıvının yoğunluğunu(g/ml), sıvının kılcal borudaki yüksekliğini, (cm), 𝑔 yerçekimi ivmesini (9,81 m/s2) belirtir. Kılcalda yükselme yöntemi, gerçek yüzey gerilimine en yakın sonuçları verir. 1.2.2 Damla Ağırlığı Yöntemi Bu yöntem, yarıçapı bilinen bir kılcal borudan damlanın ağırlığı ile kopmasından hareketle yüzey gerilimi hesaplanması esasına dayanır. Kopan damlanın ağırlığı, hacmi ya da sayısı saptanır. Şekil 6’da bu yöntem şematik olarak gösterilmiştir. ġekil 6. Damla ağırlığı yöntemi. Pipetin ucunda damlayı tutan kuvvet, damlanın tüpe temas ettiği daire boyunca olan sıvının yüzey gerilimi ile orantılıdır. Bu da (5) denklemindeki gibi ifade edilebilir. 7 𝛾= 𝜙𝑚𝑔 2𝜋𝑟 = 𝜙𝑉𝜌𝑔 2𝜋𝑟 (5) Bu denklemde, 𝑚 damlanın kütlesini(g), Φ düzeltme faktörünü, 𝑟 damlanın oluştuğu tüpün yarıçapını(cm), 𝑉 damlanın hacmini, (mL veya cm3) 𝜌 sıvının yoğunluğunu (g/mL) gösterir. Damla düşerken bir miktar sıvıyı tüpün çeperinde bırakır. Bu yüzden düzeltme faktörüne gerek vardır. Bundan dolayı bu yöntem, yüzey gerilimi bilinen bir sıvının (Örneğin su) damla ağırlığı, hacmi veya sayısı ile karşılaştırılarak da yapılabilir. Bu durumda (6) denkleminden yararlanılır. 𝑚0 𝑚 = 𝛾0 𝛾 (6) Burada 𝑚0 su damlasının kütlesi(g), 𝑚 yüzey gerilimi bilinmeyen sıvının kütlesi(g), 𝛾0 suyun yüzey gerilimi (dyn/cm), 𝛾 yüzey gerilimi bilinmeyen sıvının yüzey gerilimi(dyn/cm) dir. Bir tek damlanın kütlesini saptamak zor olduğundan, genellikle 50-100 damla sayılarak tartılır ve buradan tek damla ağırlığına geçilir. 1.2.3. Asılı Damla Yöntemi(Pendant Drop Method) Asılı damla metodu, duyarlı ve tekrarlanabilirliği olan bir yöntemdir. Asılı damlanın fotoğrafı çekilir ve damlanın boyutlarından yüzey gerilimi hesaplanır. Bu yöntemle sadece temiz yüzeylerde değil, kirli yüzeylerde de ölçüm yapılabilir. 1.2.4 Plaka Yöntemi (Wilhelmy Plate) Plaka yöntemi uygulanışına göre, koparma (ayırma) yöntemi ve statik yöntem olmak üzere ikiye ayrılır. Her iki yöntemde de düzenek, Şekil 7’de görüldüğü gibi esas itibariyle bir terazi ile ince bir mika levha veya lamdan oluşur. Terazinin bir kolu ucuna levha asılır ve sıvıya daldırılır. ġekil 7. Plaka yöntemi (a) koparma (b) statik. 8 1.2.4.a. Koparma (Ayırma) Yöntemi Yüzey gerilimi saptanacak olan sıvıyı içeren kap içine levha daldırılır ve kap yavaş yavaş alçaltılır. Diğer kola ilave edilen ağırlıklardan koptuğu andaki çekim teraziden saptanır. Sıvının yüzey gerilimi (𝛾), aşağıdaki denklemden hesaplanır. 𝛾= 𝑤 𝑘 −𝑤 2(𝑥+𝑦) (7) Bu denklemde 𝑤𝑘 , levhanın koptuğu anda terazide saptanan değeri 𝑤 , levhanın ağırlığını x, levhanın uzunluğunu y, levhanın genişliğini belirtir. 1.2.4.b. Statik Yöntem Plaka yöntemi, yüzey gerilimindeki değişmelerin ölçülmesi için statik bir yöntem olarak da kullanılabilir. Levha, bir sıvı içine daldırılmış durumda iken, yüzey gerilimi değiştikçe, levhayı sabit dalışta tutmak için gerekli kuvvet değişikliği ölçülür. 1.2.5 Halka-koparma yöntemi (Du Noüy Tensiyometresi) Yüzey ve yüzeylerarası gerilimin ölçülmesinde Şekil 8’de görülen Du Noüy yüzey gerilim cihazı "Du Noüy Tensiometer" çok kullanılır. Bu yöntemde, halkanın kopması için gereken kuvvet ölçülür. Yüzey veya ara yüzeye daldırılmış platin-iridyumdan yapılmış halkanın sıvıdan ayrılması için gerekli kuvvetin, yüzey ve yüzeyler arası gerilim ile orantılı olması esasına dayalı bir yöntemdir. Şekil 9'de bu yöntem şematik olarak gösterilmiştir. ġekil 9. Yüzey geriliminin halka yöntemi ile ölçülmesi. ġekil 8. Du Noüy yüzey gerilim cihazı. Du Noüy yüzey gerilim cihazındaki plâtin-iridyumdan yapılmış halka, yüzey ya da yüzeyler arası gerilimi ölçülecek sıvıya daldırılır. Halkayı, daldırıldığı yüzeyden ya da yüzeyler arasından koparmak için gerekli kuvvet, burulmuş bir tel ile sağlanır ve kalibre edilmiş bir kadran üstünde dyne olarak kaydedilir. Yüzey gerilimi, şu formülle verilir: 9 𝛾= 𝐹 2𝑥(2𝜋𝑟 ) ×𝛽 Bu formülde, 𝐹 halkayı çeken kuvveti(kadranda okunan değer) (dyn), faktörünü, 2𝜋𝑟 halkanın çevresini(cm) belirtir. (8) 𝛽 aletin düzeltme Denklem (8)’de, halkanın yapıldığı telin yarıçapı ve yüzeyden kalkan sıvının hacmi gibi değerler göz önüne alınmadığı için düzeltme faktörü ile çarpılır. Eğer düzeltme faktörü kullanılmazsa, hata payı % 25'e kadar çıkabilir. 1.2.6 Salınımlı (Osciilating) Jet Yöntemi Yaklaşık 0.01 saniye gibi çok kısa bir sürede yüzey gerilimini ölçen bir yöntemdir. Sıvı, basınçla küçük bir delikten geçirilir. Delikten geçen ve dairesel bir şekil alan sıvının fotoğrafı çekilir. Fotoğraftaki boyutlar ölçülerek yüzey gerilimi ile arasında bağlantı kurulur. 1.3 IĢık Kırınımı ile Ölçme Yöntemi Bu çalışmada kullanılan yöntem olan ışık kırınımı ile ölçme yöntemi aşağıda ayrıntılı olarak incelenmiştir[3,8,9,11]. Bu yöntem yukarda anlatılan diğer yöntemlerden daha kolay uygulanabildiği ve yüzey gerilimi gerçek değere daha yakın çıktığı için seçilmiştir. Bu yöntemde, yüzey gerilimini ölçmek için kap içinde bulunan su yüzeyinde, bir kaynak tarafından kontrollü sinüs dalgaları oluşturulur. Bu sinüzoidal hava-su arayüzeyi belirli bir açıda ayarlanan lazer ışık ışınları için kırınım ağı gibi davranır ve bu olay sonucunda yüzey dalgaları için çeşitli frekans aralıklarında gözlenebilen girişim deseni meydana gelir. Girişim desenindeki noktalar arasındaki uzaklık ölçülerek yüzey gerilimi elde edilir. ġekil 10 IĢık kırınımı deney düzeneğinin Ģematik gösterimi. (A) lazer ; (B) frekans üreteci ;(C) perde; (D) hoparlör; (E) mikroskop; (F) uyarıcı Su üzerinde oluşan yüzey dalgaları iki grupta incelenebilir. Okyanusların ve göllerin üzerinde oluşan bilindik dalgalar, yerçekimi dalgaları(gravity waves) olarak adlandırılır ve dalgaboyu aralıkları 100 metreden birkaç cm’ye kadar değişir. Adından da anlaşılacağı gibi bu dalgalarda dominant geriçağırıcı kuvvet yerçekimidir. Yerçekimi yüzey dalgalarının denge haline 10 dönmelerini sağlar. Dalgaboyları birkaç milimetre ve daha küçük olan dalgalara kapiler dalgalar (capilary waves) denir. Bu dalgalarda dominant geriçağırıcı kuvvet yüzey gerilimidir. Ara dalgaboylarındaki dalgalar ise kapiler-yerçekimi dalgaları olarak bilinir. Bu dalgalarda yüzey gerilimi ve yerçekimi birlikte etki eder. Kapiler dalgalar ile yapılan deneysel çalışmalar, hidrodinamik çalışmaları için çok önemli fırsatlar sunmaktadır. Işık kırınımı yönteminde, bilinen frekansta durgun kapiler dalgalar oluşturularak, kapiler dalgalar üzerine gönderilen lazer ışık ışınlarının yüzeyden yansıyarak ekran üzerinde girişim deseni oluşturmasıyla suyun yüzey gerilimi bulunmaktadır. 1.3.1 IĢık Dalgalarında GiriĢim ve Kırınım Yaptığımız deney, ışık dalgalarının girişimi ve kırınımı ile ilgili olduğundan ışık kırınımı yöntemi ile ilgili teorik bilgilere geçmeden önce bu alt bölümde girişim ve kırınım ile ilgili bilgilere[10] yer verilmiştir. Girişim Işık dalgalarındaki girişim olaylarını dalgaboylarının küçük olmasından dolayı gözlemek kolay değildir. Işık dalgalarında kararlı bir girişim gözleyebilmek için; Kaynaklar uyumlu yani koherent (eşfazlı) olmalıdır. Kaynaklar tek renkli, yani bir dalga boyuna sahip olmalıdır. ġekil 11. Çift yarıkta giriĢim ve oluĢan giriĢim deseni. İki koherent ışık kaynağı elde etmek için yaygın yöntem, iki küçük aralığı olan (genellikle yarık biçiminde) bir levhayı aydınlatmak üzere tek bir kaynak kullanmaktır. İki yarıktan geçen ışık bu durumda uyumludur. İki yarıktan çıkan ışık ekrana ulaştığında Şekil 11’deki gibi bir girişim deseni gözlenir. Kırınım Işık hareketi sırasında, yeterince dar bir aralıktan ya da keskin kenarlı bir engelden geçerken, yarığın ya da engelin köşelerine yakın yerlerden bükülme özelliğine sahiptir. Yarığı ya da engeli 11 geçen ışık her yönde yayılır (gölge olması beklenen yerde de ışık yayılır). Bu olaya kırınım adı verilir. Temelde kırınım ve girişim olayları özdeştir. Kırınımı oluşturmanın tek yolu dalgayı dar bir aralıktan geçirmek değildir. Benzer etkiler, dalgalar saydam olmayan engele çarptıklarında da gözlenir. Sonlu sayıda, ayrı, uyumlu (koherent) kaynakların katkılarının üst üste gelmesine girişim denir. Eğer ışık dalgaları yarıkları geçtikten sonra dağılmasalardı girişim olmayacaktı. Sürekli bir kaynak dağılımının katkılarının üst üste gelmesi ile kırınım oluşur. Kırınıma pek çok eş fazlı dalga kaynağının girişiminin bir sonucu olarak bakabiliriz. Küçük bir kaynaktan çıkan ışık, saydam olmayan cismin kenarından geçip bükülür. Bu etkilerinden dolayı, cismin kenarı üzerindeki bölgede Şekil 12’de görüldüğü gibi aydınlık ve karanlık saçaklardan oluşan kırınım deseni görülür. Kırınım olayı ışığın dalga karakterinin bir sonucudur. Ses ve su dalgalarında da kırınım olayı gözlenir. ġekil 12. Tek yarıkta kırınım ve oluĢan kırınım deseni. Kırınım Ağı Üzerinde ışığın geçebileceği, birbirine paralel, eşit aralıklarla ayrılmış çok sayıda yarık bulunan aygıtlara kırınım ağı (kırınım şebekesi) denir. Kırınım ağları iki nedenden dolayı önemlidir: • Üzerinde çok sayıda yarık olduğundan, çift yarığa göre çok daha fazla ışık geçmesini sağlar, bu ise ışık şiddetinin artması demektir. • Oluşan kırınım deseninin maksimumları çok daha net olduğundan ışığın farklı dalga boylarının daha kesin bir şekilde ölçülmesine olanak verirler. Kırınım ağındaki her bir yarıktan kırınım oluşur. Kırınıma uğrayan ışık ışınları ise birbiri ile girişim yaparlar. Kırınım ağının bir kesiti Şekil 13’te gösterilmiştir. Bir düzlem dalga, ağ düzlemine dik olarak soldan gelmektedir. Yarıkların tamamından çıkan dalgalar aynı fazdadırlar. Ancak, ekran üzerinde herhangi bir P noktasına ulaşan ışınlardan her biri farklı yolları katetmiştir. Herhangi iki komşu yarıktan çıkan dalgalar arasındaki yol farkı 𝑑. sin𝜃 ’ya eşittir. Burada 𝑑 , kırınım ağının yarık aralığıdır. Eğer bu yol farkı dalga boyunun tamsayı katlarına eşit ise, P noktasında aydınlık bir saçak gözlenecektir. Buna göre kırınım ağı için yapıcı girişim (maksimum) koşulu; 𝑑. 𝑠𝑖𝑛𝜃 = 𝑚𝜆 (𝑚 = 0, 1, 2, 3, … ) şeklindedir. 12 (9) ġekil 13. Kırınım ağından geçen ıĢığın oluĢturduğu aydınlık saçaklar. Kırınım ağı, farklı dalga boylarını farklı açılarda açığa çıkarır. Eğer kırınım ağına gönderilen ışık beyaz ışık ise; 𝜃 = 0’da tüm yarıklar aynı fazda katkıda bulunurlar, bütün renkler üst üste bindiği için merkezi maksimum (m=0) beyazdır. Diğer maksimumlar için, her bir dalga boyu belli bir açıda ayrılır. Böylelikle, ışığın dalga boyu ölçümü daha keskin yapılabilir. Eğer gönderilen ışık, tek renkli ise, merkezi maksimum en parlaktır, diğer mertebeden maksimumlar birbirinden oldukça ayrılmıştır. 1.3.2 IĢık Kırınımı Yöntemi ile Ġlgili Teorik Bilgiler Sıvı yüzeyindeki dalgalar için dağınım bağıntısı[3], 𝜍 𝜔2 = 𝑔𝑞 + 𝑞3 + tanh (𝑞𝐷) 𝜌 (10) İle verilir. Bu denklemde 𝜔 = 2𝜋𝑓 açısal frekansı, 𝑔 yerçekimi ivmesini, 𝑞 dalga sayısını, 𝜍 yüzey gerilimini belirtir. 𝑔𝑞 terimi, yerçekiminden (𝜍/𝜌)𝑞 3 terimi, yüzey geriliminden kaynaklanmaktadır. tanh (𝑞𝐷) terimi derin rezervuarlar ve/veya yüksek dalga sayıları için 1’e eşittir. Kapiler dalgalar için yerçekimi terimi de ihmal edilir. Bu durumda dağınım bağıntısı, 𝜔2 = 𝜍𝑞3 𝜌 (11) formuna dönüşür ve buradan yüzey gerilimi, 𝜍= 𝜌𝜔 2 𝑞3 bağıntısıyla ifade edilir. 13 (12) ġekil 14. IĢık kırınımı yönteminin geometrik çizimi. Işık kırınımı yönteminin şematik gösterimi Şekil 14’de görülmektedir. Gelen lazer ışık ışınlarının su yüzeyinden kırınıma uğrama koşulu denklem (9)’a benzer şekilde, 𝑛𝜆 = 𝑑sin𝑟 (13) bağıntısı ile verilir. Bu bağıntı da 𝜆 lazerin dalgaboyunu, 𝑑 kırınım ağı genişliği, 𝑛 kırınım mertebesini gösterir. Lazer ışınlarının geliş açısı 𝜃 için yüzey dalgalarının etkili kırınım ağı yarık genişliği Klipstein[6] tarafından, 𝑑 = 𝜆𝑠 sin𝜃 = 2𝜋 𝑞 sin𝜃 (14) olarak bulunmuştur. (14) denklemi (13) denkleminde yerine yazılarak, 𝑞= 2𝜋 𝜆 sin𝑟sin𝜃 (15) 𝑟 𝑟 2 2 denklemi elde edilir[5]. (15) denkleminde sin𝑟 yerine yarımaçı formülünden sin𝑟 = 2sin cos yazılırsa, 𝑞= 2∙2𝜋 𝜆 sin 𝑟 2 sin𝜃 ∙ 𝑐𝑜𝑠 bağıntısı elde edilir. (16) denkleminde sin𝑥 ∙ cos𝑦 = 1 2 𝑟 (16) 2 sin 𝑥 + 𝑦 + sin (𝑥 − 𝑦) ters dönüşüm formülü uygulanırsa, 𝑞= 2𝜋 𝜆 sin 𝑟 2 sin 𝜃 − 𝑟 2 + sin 𝜃 + 𝑟 2 (17) (15) denklemi Weisbuch ve Garbay[12] tarafından verilen denklem (17) formuna dönüşür. Dalgasayısını hesaplamak için gerekli olan 𝜃 ve 𝑟 açıları Şekil 14‘ten de görüldüğü gibi, 𝜃 = tan−1 𝑋 𝐿 ve 𝛽 = 𝜃 + 𝑟 = tan−1 X+Δ𝑋 𝐿 ⟹𝑟=𝛽−𝜃 (18) bağıntıları ile elde edilebilir. Bu denklemde 𝐿 lazer ışınlarının su yüzeyine geldiği noktadan ekrana olan yatay uzaklık, Δ𝑋 perde üzerindeki girişim deseninde yansıyan ışın ile ilk 14 maksimum arasındaki uzaklıktır. Dalga sayısı bağıntısını veren (17) denklemi (12) denkleminde yerine yazılarak yüzey gerilimi, 𝜍= 𝜌 4𝜋 2 𝑓 2 2𝜋 𝜆 sin 𝑟 2 𝑟 2 𝑟 2 sin 𝜃− +sin 𝜃+ 3 (19) bağıntısından hesaplanabilir. 1.4 Manyetik Nanopartiküllerin ve Sıvıların Üretim Yöntemi Bu projede yüzey gerilimi bulunacak manyetik sıvıyı oluşturmak için kullanılan Fe3O4 nanopartikülleri hazır olarak kullanılmıştır. Fakat Fe3O4 nanopartikülünün nasıl elde edildiği danışman öğretmenden öğrenilmiştir. Fe3O4 nanopartikülünün ve manyetik sıvının elde ediliş basamakları aşağıda anlatılmaktadır[7]. Ticari olarak satılan demir klorür (FeCl3, % 97), sodyum hidroksit (NaOH, %96), dietilen glikol (DEG, % 99.9), poliakrilik asit (PAA, Mw=1,800) manyetik nanopartiküllerin üretilmesinde kullanılmaktadır. Ayrıca nanopartiküllerin yıkanmasında aseton ve metanol kullanılmaktadır. Bunun yanında manyetik nanopartiküllerin yüzey modifikasyonu için oleik asit, kitosan ve hümik asit ve manyetik sıvıların üretiminde saf su kullanılmaktadır. Kimyasallar Sigma-Aldrich firmasından tedarik edilmektedir. Manyetik sıvıların üretimi Tablo 2’deki işlem akış şemasına göre hazırlanmaktadır. Tablo 2. Manyetik Nanopartiküllerin ve Sıvıların Üretilmesi. 15 Tablo 2’de gösterildiği gibi, belirli oranlarda NaOH ve dietilen glikol karıştırılarak 120 0C’de 1 saat ve azot atmosferinde ısıl işleme tabi tutulmaktadır. 70 0C’ye soğutularak bekletilmekte ve açık sarı çözelti elde edilmektedir. İkinci çözeltide poliakrilik asit, demir klorür ve dietilen glikol belirli miktarlarda karıştırılarak azot ortamında 55 dakika ısıl işleme tabi tutulmaktadır. Daha sonra birinci çözelti ikinciye aktarılarak 200 dakika 180-220 0C’de ısıl işleme devam edilmektedir. Çeşitli yıkama ve kurutma işlemlerinden sonra manyetik nanopartiküller toz halde elde edilmektedir. Boyut sınıflandırılmasında santrifüj cihazı kullanılarak sedimantasyon deneyleri yapılmaktadır. Elde edilen manyetik nanopartiküller bir mıknatıs yardımıyla bir noktada toplanmaktadır. Yıkama ve manyetik ayırma işlemi beş kez tekrar edilmektedir. Daha sonra üretilen nanopartiküllerin boyutlarının değiştirilmesinde oleik asit, kitosan ve hümik asit kimyasal sıvıları yüzey aktif ajan malzemeleri kullanılmakta ve yüzeyleri modifiye edilmektedir. Bu işlemlerin yapılmasında dizaynı ve geliştirilmesi proje ekibi tarafından yapılan Schlenk hattı üretim prosesi kullanılmaktadır. Manyetik sıvıların üretiminde saf su, metanol ve aseton kullanılarak Fe3O4 nanopartikülleri ile karıştırılmaktadır. 2.YÖNTEM Bu çalışmada suyun ve manyetik sıvının yüzey geriliminin bulunması için ışık kırınımı yöntemi kullanılmıştır. Suyun ve manyetik sıvının bulunması için yapılan deneyler aşağıda alt başlıklar halinde sunulmuştur. 2.1 IĢık Kırınımı Deney Düzeneği ile Suyun Yüzey Geriliminin Bulunması Deneyde kullanılan malzemeler, He-Ne lazer, saf su, sinyal üreteci,petri kabı, pipet, hoparlör, ekran ve tutuculardır. ġekil 15. IĢık kırınımı yöntemi deney düzeneği 16 Bir petri kabı içine yüzey gerilimi ölçülecek saf su boşaltıldı. Kap içindeki su üzerinde yüzey dalgaları oluşturmak için bir hoparlörün ucuna pipet bağlandı. Pipet sadece suyun yüzeyine değecek şekilde ve direkt olarak kabın merkezinin üzerinde olacak şekilde ayarlandı. Su yüzeyinde pipet aracılığı ile sinüzoidal dalgalar elde etmek için hoparlör bir sinyal üretecine bağlandı. Lazerden çıkan ışınların küçük bir açıyla su yüzeyine gelmesi sağlandı. Lazer suyun yüzeyini sıyıracak şekilde ayarlandı. Bu açı yaklaşık 80 olarak bulundu. Hava-su ara yüzeyi lazer ışığı için kırınım ağı gibi davrandığından, perde üzerinde girişim deseni gözlendi. Oluşturulan deney düzeneği Şekil 15‘de görülmektedir. Yüzey gerilimini hesaplamak için titreşim frekansı sinyal üretecinden kaydedildi ve dalga sayısı hesaplandı. ġekil 16. 100 Hz frekansta suyun yüzeyinden yansıyan ıĢığın oluĢturduğu giriĢim deseni ġekil 17. 192.7 Hz frekansta suyun yüzeyinden yansıyan ıĢığın oluĢturduğu giriĢim deseni Veriler ve Hesaplamalar Şekil 16’da görülen girişim deseninden 𝑋 = 23,6𝑐𝑚 , 𝐿 = 160𝑐𝑚 ∆𝑋 = 0,17𝑐𝑚 olarak ölçüldü. Bu değerler denklem(18)’de yerine yazılarak 𝜃 ve 𝑟 açıları, 𝜃 = tan−1 23,6 = 8,39060 , 160 17 𝜃 + 𝑟 = tan−1 23,77 160 0 = 8,4501 ve 𝑟 = 0,05960 elde edildi. Yüzey dalgalarının açısal frekansı 𝑤 = 2𝜋𝑓 bağıntısı ile bulundu. Burada 𝑓, sinyal üretecinin frekansıdır. Sinyal üretecinin frekansı ilk olarak 100Hz’e ayarlandı. Bulunan bu değerler, lazerin dalgaboyu 𝜆 = 532. 10−9 m ve suyun özkütlesi 𝜌 = 998 kg/m3 denklem (19)’da yerine yazılarak suyun yüzey gerilimi, 4𝜋 2 998. 1002 𝜍= 2𝜋 532.10 ∙ (5,199. 10−4 ) 0.1464 + 0.1454 −9 3 = 3.9399. 108 1,7918. 103 3 3.9399. 108 𝜍= = 0,0684 N/m 5,7531. 109 olarak bulundu. Aynı işlemler 𝑓 = 125,3𝐻𝑧, 𝑓 = 192,7Hz , 𝑓 = 200Hz , 𝑓 = 250Hz ve 𝑓 = 300𝐻𝑧 frekansları içinde de tekrarlandı. Bulunan değerler Tablo 3’de verilmiştir. Tablo 3’deki yüzey gerilimi verilerinin ortalaması alınarak suyun yüzey gerilimi 𝜍 = 0,0733N/m olarak bulundu. Ayrıca 𝑤 2 𝜌’nun 𝑞 3 ‘e göre değişim grafiği çizildi. Bu grafiğin eğiminden de suyun yüzey gerilimi 𝜍 = 0,072 N/m olarak bulundu. Suyun farklı sıcaklıklardaki yüzey gerilimleri[3] Tablo 4‘te verilmiştir. Deneyde suyun sıcaklığı 200C olduğu için Tabloda 200C’ye karşılık gelen yüzey gerilimi (𝜍 = 0,0728 ) değeri gerçek değer olarak, grafiğin eğiminden bulunan 𝜍 = 0,072N/m değeri de ölçülen değer olarak alınıp, yüzde hata bağıntısı kullanılarak deney ölçümünde yapılan hata hesaplandı. Tablo 3. IĢık kırınımı ile suyun yüzey geriliminin bulunması deneyinde elde edilen veriler Frekans Δ𝑋 X Açı q 𝜔2 𝜌 q3 𝜍 (Hz) (m) (m) r0 (1/m) (kg.m-3/s2) (1/m3) (N/m) 100 0,0017 0,2360 0,0596 1,7918.10 3 3,9399.10 125,3 0,0020 0,2357 0,0700 2,1059.10 3 6,1857.10 192,7 0,0025 0,2360 0,0876 2,6349.10 3 1,4630.10 200 0,0026 0,2359 0,0910 2,7392.10 3 1,5759.10 250 0,0030 0,2360 0,1051 3,1617.10 3 2,4625.10 300 0,0035 0,2360 0,1226 3,6885.10 3 3,5459.10 18 8 5,7531.10 9 0,0685 8 9,3394.10 9 0,0662 9 1,8293.10 10 0,0799 9 2,0551.10 10 0,0767 9 3,1606.10 10 0,0779 9 5,0182.10 10 0,0707 Tablo 4. Suyun farklı sıcaklıklardaki yüzey gerilimi değerleri. Sıcaklık (0C) Yüzey Gerilimi(N/m) 4.0x10 9 3.5x10 9 3.0x10 9 2.5x10 9 2.0x10 9 0,0756 20 0,0728 1.5x10 9 0,0668 1.0x10 9 60 5.0x10 8 2 0 =0.072 0.0 0 1x10 10 2x10 10 3x10 10 4x10 10 5x10 3 q ġekil 18. Su için 𝒘𝟐 𝝆’nun 𝒒𝟑 ile değiĢimi Yüzde hata = 𝜍 𝑔𝑒𝑟 ç𝑒𝑘 −𝜍 ö𝑙çü𝑙𝑒𝑛 Yüzde hata = 𝜍 𝑔𝑒𝑟 ç𝑒𝑘 0,0728−0,072 0,0728 × 100 × 100 = 0,0004 0.0728 × 100 Yüzde hata = %1,10 2.2 IĢık Kırınımı Deney Düzeneği ile Manyetik Sıvının Yüzey Geriliminin Bulunması ġekil19. 100 Hz frekansta manyetik sıvının yüzeyinden yansıyan ıĢığın oluĢturduğu giriĢim deseni 19 10 ġekil20. 192,7 Hz frekansta manyetik sıvının yüzeyinden yansıyan ıĢığın oluĢturduğu giriĢim deseni Aynı deney düzeneği ile bu kez Bölüm 1.4 ‘te üretim aşaması verilen manyetik sıvının yüzey gerilimi hesaplandı. Manyetik sıvı suda çözünebilen 1,5g Fe3O4 nanopartikülünün 200ml saf su ile karıştırılması sonucu elde edildi. Manyetik sıvının özkütlesi 1005 kg/m3olarak hesaplandı. Hazırlanan manyetik sıvının yüzey gerilimi Bölüm 2.2’deki hesaplama aşamaları takip edilerek 𝑓 = 125,3𝐻𝑧 , 𝑓 = 150𝐻𝑧 , 𝑓 = 192,7𝐻𝑧, 𝑓 = 200𝐻𝑧 , 𝑓 = 250𝐻𝑧 ve 𝑓 = 300 𝐻𝑧 frekansları için hesaplandı. 100 Hz ve 192,7 Hz frekansta oluşan girişim desenleri Şekil 19 ve Şekil 20’de görülmektedir. Gözlem sonuçları ve elde edilen yüzey gerilimi değerleri ile Tablo 5 oluşturuldu ve Şekil 21’de görülen 𝑤 2 𝜌’nun 𝑞 3 ‘e göre değişim grafiği çizildi. Grafiğin eğiminden manyetik sıvının yüzey gerilimi 𝜍 = 0,0809N/m olarak bulundu. Elde edilen sonuçlara göre suyun içine karıştırılan nanopartiküllerin suyun yüzey gerilimini arttırdığı görüldü. Veriler ve Hesaplamalar 𝑓 = 100 Hz için manyetik sıvının yüzey gerilimi 𝑋 = 23,55𝑐𝑚 , 𝐿 = 160𝑐𝑚, ∆𝑋 = 0,16𝑐𝑚 𝜆 = 532. 10−9 m, 𝜌 = 1005 kg/m3 𝜃 = tan−1 23,55 = 8,37310 , 160 23,71 160 𝜃 + 𝑟 = tan−1 𝜍= = 8,42910 ve 𝑟/2 = 0,0280 4𝜋 2 1005. 1002 2𝜋 532.10 −9 ∙ (4,893. 10−4 ) 0.1461 + 0.1451 𝜍 = 0,0832 N/m 20 3 = 3,9399108 4,7680109 Tablo 5. IĢık kırınımı ile manyetik sıvının yüzey geriliminin bulunması deneyinde elde edilen veriler Frekans Δ𝑋 X Açı q 𝜔2 𝜌 q3 𝜍 (Hz) (m) (m) r0 (1/m) (kg.m-3/s2) (1/m3) (N/m) 100 0,0016 0,2355 0,0561 1,6831.10 125,3 0,0017 0,2357 0,0613 1,8427.10 150 0,0021 0,2355 0,0736 2,2090.10 192,7 0,0021 0,2354 0,0911 2,7337.10 200 0,0021 0,2354 0,0911 2,7372.10 250 0,0030 0,2351 0,1051 3,1504.10 2.5x10 9 2.0x10 9 1.5x10 9 1.0x10 9 5.0x10 8 3 3,9676.10 3 6,2291.10 3 8,9270.10 3 1,4733.10 3 1,5870.10 3 8 4,7681.10 9 0,0832 8 6,2571.10 9 0,0996 8 1,0779.10 10 0,0828 9 2,0430.10 10 0,0829 9 2,0430.10 10 0,0777 3,1268.10 10 0,0793 9 2,4797.10 2 =0.0746 0.0 9 5.0x10 1.0x10 10 1.5x10 10 2.0x10 10 2.5x10 10 3.0x10 10 3.5x10 10 3 q ġekil 21. Manyetik sıvı için 𝒘𝟐 𝝆’nun 𝒒𝟑 ile değiĢimi 2.3 IĢık Kırınımı Deney Düzeneği ile Manyetik Sıvının Elektrik Alan Altında Yüzey Geriliminin Bulunması Deneyde Tablo 6’da görülen yüzey gerilimi değerlerinin sabit elektrik alan ile değişimi incelendi. Elektrik alan, manyetik sıvının bulunduğu petri kabının 2 paralel plaka arasına sıkıştırılarak, güç kaynağı yardımıyla 3000 V potansiyel farkı uygulanmasıyla oluşturuldu. Paralel plakalar 𝑉 arasındaki mesafe 15cm olarak ölçüldü. 𝐸 = 𝑑 bağıntısından uygulanan elektrik alan; 21 𝐸= 𝑉 𝑑 = 3000 0,15 = 20000 V/m bulundu. Uygulanan elektrik alan altında, 𝑓 = 125,3𝐻𝑧 , 𝑓 = 150𝐻𝑧, 𝑓 = 192,7𝐻𝑧, 𝑓 = 200𝐻𝑧 , 𝑓 = 250𝐻𝑧 ve 𝑓 = 300𝐻𝑧 değerleri için girişim desenleri tekrar oluşturuldu ve manyetik sıvının elektrik alan altında yüzey gerilimi hesaplandı. Elektrik alan altında manyetik sıvının yüzey gerilimi değerleri Tablo 5’te görülen değerlerle aynı elde edildi. Uygulanan elektrik alanın manyetik sıvının yüzey gerilimini değiştirmediği görüldü. 2.4 IĢık Kırınımı Deney Düzeneği ile Manyetik Sıvının Manyetik Alan Altında Yüzey Geriliminin Bulunması Deneyde Tablo 5’te görülen manyetik sıvının yüzey gerilimi değerlerinin sabit manyetik alan altında değişimi incelendi. 2200 𝜇𝑇 büyüklüğünde manyetik alan, 37 sarımlı bobin ile ve 10V gerilim uygulanarak elde edildi ve manyetik alan altında sıvının yüzey gerilimi hesaplandı. 100 Hz ve 192,7 Hz frekansta oluşan girişim desenleri Şekil 22 ve Şekil 23’te görülmektedir. Farklı frekanslarda hesaplanan manyetik sıvının yüzey gerilimi 𝜍 ve manyetik alan uygulanarak bulunan 𝜍𝑎𝑙𝑎𝑛 verileri Tablo 6’da verilmiştir. Ayrıca Şekil 24‘de manyetik alan uygulamış ve manyetik alan uygulanmamış iki manyetik sıvının 𝑤 2 𝜌 − 𝑞 3 grafiği görülmektedir. ġekil 22. 100Hz frekansta manyetik alan etkisindeki manyetik sıvının yüzeyinden yansıyan ıĢığın oluĢturduğu giriĢim deseni ġekil 23. 192,7 Hz frekansta manyetik alan etkisindeki manyetik sıvının yüzeyinden yansıyan ıĢığın oluĢturduğu giriĢim deseni 22 Veriler ve Hesaplamalar 𝑓 = 100 Hz için manyetik sıvının yüzey gerilimi 𝑋 = 23,54𝑐𝑚 , 𝐿 = 160𝑐𝑚 ∆𝑋 = 0,16𝑐𝑚 𝜆 = 532. 10−9 m, 𝜌 = 1005 kg/m3 𝜃 = tan−1 23,54 = 8,36950 , 160 23,7 𝜃 + 𝑟 = tan−1 160 = 8,4256 𝜍= 0 ve 𝑟/2 = 0,02800 4𝜋 2 1005. 1002 2𝜋 532.10 3 ∙ (0,0004893) 0,1460 + 0,1450 −9 = 3,9399108 4,7623109 𝜍 = 0,0833 N/m Tablo 6. Manyetik alan uygulanmıĢ ve manyetik alan uygulanmamıĢ manyetik sıvı için uygulanan frekans değeri ve bulunan yüzey gerilimi değerleri. 𝑓 𝜍𝑎𝑙𝑎𝑛 𝜍 manyetik sıvı manyetik alanlı manyetik sıvı 9 2.5x10 3 (Hz) (1/m ) (N/m) 100 0,0833 0.0832 125,7 0,0994 0.0996 150 0,0829 0,0828 192,7 0,0764 0,0721 200 0,0778 0.0777 250 0,0832 0.0793 alan=0.0789 9 2.0x10 =0.0746 2 9 1.5x10 9 1.0x10 8 5.0x10 0.0 9 5.0x10 10 1.0x10 10 1.5x10 10 2.0x10 2.5x10 10 10 3.0x10 10 3.5x10 3 q ġekil 24. Manyetik alan uygulanmıĢ ve manyetik alan uygulanmamıĢ iki manyetik sıvı için 𝒘𝟐 𝝆’nun 𝒒𝟑 ile değiĢimi 23 Şekil 24’deki grafiğin eğiminden ve Tablo 6’da verilen hesaplanan yüzey gerilimi değerlerinden, düşük bir manyetik alan uygulanmasına rağmen manyetik sıvının yüzey geriliminin az da olsa arttığı anlaşılmaktadır. Sonuçlar ve TartıĢma Yapılan deneyler sonucunda suyun yüzey gerilimini bulmak için alınan ölçümler daha önce yapılmış olan deneylerlerdeki ölçümlerle ve literatürde olan değerlerle karşılaştırıldı. Değerler arasında bulunan fark deneyin gerçekleşmesini engellemeyecek düzeyde olduğundan manyetik sıvı ile gerçekleştirilen deneylere başlandı. Manyetik sıvının yüzey gerilimi hesaplandıktan sonra elektrik alan uygulandı ancak ölçümlerde hesaplanabilir bir fark gözlenemedi. Manyetik alan ile yapılan deneylerde uygulanan manyetik alan düşük olmasına rağmen manyetik sıvının yüzey geriliminde küçük bir değişim gözlendi ve manyetik alanın büyüklüğü arttırıldığında yüzey geriliminin artacağına dair ilerde yapılabilecek araştırmalar için fikir verdi. Kullanılan yöntem, deney düzeneğinin kurulumu kolay ve düşük maliyetli olduğu için ayrıca su için yapılan ölçümlerde çok az hata ile yüzey gerilimi hesaplanmasına olanak sağladığı için diğer sistemlerden daha avantajlıdır. Fakat deneyler sırasında ölçümlerin sağlıklı elde edilebilmesi için perdenin yansıtılan yüzeyden oldukça uzak tutulması gerekmektedir ve ölçümlerde hassasiyet önemli olduğu için desen üzerinde ölçüm yaparken çok dikkatli olunması gerekmektedir. Manyetik sıvılar, üretiminin kolay olması nedeniyle sağlık, kimya, biyoteknoloji, endüstri, tarım gibi pek çok alanda uygulamalara sahiptir. Örneğin manyetik sıvılar atık suların temizlenmesinde kullanılmaktadır ve manyetik alan ile yüzey gerilimi arttırıldığında sulardan istenmeyen maddelerin temizlenmesi kolaylaşacaktır. Bunun yanında boru hatlarında akışkanlığın arttırılmasında manyetik sıvı kullanılmaktadır. Yüzey geriliminin artmasıyla akışkanın borudan daha kolay geçmesi sağlanabilecektir. Yüzey gerilimini manyetik alana bağlı olarak arttırdığımız bu basit yöntemin, ileride deniz sularının akaryakıtlardan, benzeri kimyasal maddelerden temizlenmesi için de kullanılabileceğini düşünüyoruz. TEġEKKÜR Bu proje, Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Bölümü laboratuarlarında gerçekleştirilmiştir. Çalışmalarımız sırasında bize danışmanlık yapan, bilgi ve deneyimlerini paylaşan Araştırma Görevlisi Dr. Serhat Küçükdermenci’ye, Fizik Öğretmenimiz Handan Bulut’a, Bilim Kurulu Üyemiz Dr. Meltem Gönülol Çelikoğlu’na ve bizi bilimsel çalışmalara teşvik eden ve bu konuda her türlü desteği veren okul yöneticilerimize teşekkür ederiz. 24 KAYNAKLAR [1] Acartürk, F., Ağabeyoğlu, İ., Çelebi, N., Değim, T., Değim, Z., Doğanay, T., Takka S., Tırnaksız, F., (2009), Modern Farmasötik Teknoloji, TEB Eczacılık Akademisi Yayını. [2] Gönül, N.,(2000) Yüzey ve Yüzeylerarası Olaylar Yüzey kimyası ve Kolloitler, Ankara: Ankara Üniversitesi Basımevi. [3] Henry, H.,(2007), Determining The Surface Tension Of Water Via Light Scattering, The College of Wooster, USA, <http://www3.wooster.edu/physics/jris/Files/Henry_Web_article.pdf>, son erişim 24.01.2013. [4] İstanbul Sultangazi Anadolu Lisesi Lise 2 fizik ders notları, Kılcallık ve Yüzey Gerilimi, <http: //okulweb.meb.gov.tr/34/41/972879/dersnotlari/fizik/Kilcallik_ve_Yuzey_Gerilimi(Lise2).pdf>,son erişim 24.01.2013. [5] Klemens, P.G.,(1983), Dispersion Relations for waves on liquid surfaces, American Journal of Physics, 52, sayfa 451-452 [6] Klipstein, W. M., Radnich, J. S., ve Lamoreaux, S. K., (1996), Thermally excited liquid surface waves and their study through the quasielastic scattering of light, American Journal of Physics, 64, sayfa 758-765 [7] Nar, A., Ziya, Y., Yıldırım, M., Kılınç, E., (2012), Sıvı İçinde Dış Alan Yardımıyla Üç Boyutlu Periyodik Yapılar Oluşturmada ve Renk Elde Etmede Gerekli Manyetik Sıvıların Üretimi ve Üretim Sisteminin Geliştirilmesi, Lisans Tezi, Ege Üniversitesi, İzmir. [8] Nesic, L., ve Nikolic, D.,(2011), Measuring the Surface Tension of Water by Light Diffraction on Capillary Waves, Balkan Summer Seminar: Trends in Modern Physics(BSS2011), Serbia, <http://bsw2011.seenet-mtp.info/pub/bss2011-NesicLj-abs.pdf>, son erişim 24.01.2013. [9] Poprocki, S., (2006), Measuring the surface tension of water from the diffraction pattern of surface ripples, The College of Wooster, USA, <http://www3.wooster.edu/physics/jris/Files/ Poprocki_Web_Article.pdf>, son erişim 24.01.2013. [10]Serway, R. A, (1996), Fen ve Mühendislik için Fizik, Palme Yayıcılık, Ankara [11] Tarun, Kr., Barik, A. R., ve Sayan K., (2005), A simple experiment on diffraction of light by interfering liquid surface waves, American Journal of Physics, 73, sayfa 725-729. [12] Weisbuch,G., Garbay, F.,(1979), Light Scattering by Surface Tension Waves, American Journal of Physics, 47, sayfa 355-356. 25
