FERROAKIŞKANLARIN YAPISININ ve MANYETİK

advertisement
ÖZEL EGE LİSESİ
FERROAKIŞKANLARIN YAPISININ
ve
MANYETİK ALANDA HAREKETLERİNİN
İNCELENMESİ
HAZIRLAYAN ÖĞRENCİLER: Berker Parlaker
Emir Coşkun
DANIŞMAN ÖĞRETMEN: A.Ruhşah Erduygun
2010
İZMİR
İÇİNDEKİLER
Amaç
1
Giriş
1
1. Manyetik Alan
1
2. Manyetik Maddeler
2
3. Ferromanyetik Malzemeler
2-4
4. Histerisiz Çevrimi
4
5. Nanomanyetik parçacıklar
4-5
6. Ferroakışkanlar
6.1. Ferroakışkanların yapısı
5-6
6.2 Ferroakışkana etki eden kuvvetler
6-9
Materyal- Yöntem
10
1.Ferroakışkanın yapısının ve ortam sıvısının incelenmesi
10
2. Ferroakışkanın manyetik alan içinde hareketinin incelenmesi
10-12
3. Ferroakışkanın değişken manyetik alanda hareketinin incelenmesi
12-18
Sonuç ve Tartışma
19
Kaynakça
20
Teşekkür
21
AMAÇ
Bu projede amacımız, nanoparçacıkların kutupsal özellikte sıvılarla kaplanmış hali olan
manyetik sıvıların manyetik alan altında hareketlerinin incelenmesidir.
GİRİŞ
Projeye başlamadan önce çeşitli kitap ve makalelerden manyetik alan, nanoparçacıklar ve
ferroakışkanlar hakkında bilgi toplanmıştır.
1.MANYETİK ALAN
Manyetik alan, elektrik yüklerinin hareketi sonucunda ortaya çıkan bir etkidir. Bir maddenin
en küçük parçası olan atomlarda negatif yüklü olan elektronlar, çekirdek etrafında yörüngesel
bir hareket yaptıkları gibi, kendi eksenleri etrafında da bir dönme hareketi yaparlar(şekil 1) .
Şekil 1.a) Bir elektronun yörüngesel hareketi
b) Bir elektronun manyetik momenti
Elektrik akımının yüklü parçacıkların hareketi sonucunda meydana gelmesi nedeniyle bu
hareketlere, bir çeşit mikroskopik akımlar gözüyle bakılabileceği ve tabii ve yapay
miknatısların manyetik özellikler göstermesinde etkin oldukları ilk kez Ampere tarafından ileri
sürülmüştür. Manyetik etkilerin, söz konusu bu mikroskopik akımlardan ileri geldiği savı,
günümüzde de artık kesinlik kazanmıştır. Bu sava göre elektrik yüklü parçacıklar hareket
halinde ise ortamda bir değişiklik meydana gelir. İşte akım taşıyan bir bobinin yada bir
miknatısın bulunduğu ortamda manyetik kuvvet olarak ortaya çıkan bu değişiklik, manyetik
alan olarak adlandırılır. Manyetik alan; doğrultusu, yönü ve şiddeti ile belirlenen vektörel bir
büyüklüktür. Her hangi bir ortamdaki manyetik alan, kuvvet çizgileri ya da manyetik akı
çizgileri ile gösterilir.
N
S
(a)
Şekil 2.a) Mıknatısın manyetik alanı
(b)
b) NdFeB mıknatısı
2.MANYETİK MADDELER
Faraday, yaptığı araştırmalar sonunda tüm maddelerin, manyetik alana bir tepki gösterdiğini
ve bu tepki nedeniyle karşılıklı bir etkileşimin söz konusu olmasından dolayı maddelerin üç
grupta toplanabildiğini göstermiştir;
1) Diamanyetik Maddeler : Bağıl manyetik geçirgenlikleriμ r < 1 olan bu tür maddeler, güçlü
bir manyetik alana dik şekilde kendilerini yönlendirirler.
Diamanyetizma, tek sayıda elektronlara sahip ve tamamlanmamış içi kabuğu olmayan
maddelerde görünür. Radyum, potasyum, magnezyum, hidrojen, bakır,gümüş, altın ve su
diamanyetik gruba girerler.
2) Paramanyetik Maddeler : Bağıl manyetik geçirgenlikleri μ r > 1 olan bu tür maddeler, güçlü
bir manyetik alana paralel şekilde kendilerini yönlendirirler.
Paramanyetizma çift sayıda elektronlara sahip maddelerde görülür. Hava,alüminyum ve
silisyum paramanyetik gruba girer.
3) Ferromanyetik Maddeler : Demir, nikel, kobalt ve alaşımlarını içeren maddeler bu gruba
girer. Uygulanan manyetik alan altında yüksek manyetizasyon ve histeresiz özelliği
gösterirler.
Şekil 3. Para/Ferromanyetik maddeler
3. FERROMANYETİK MALZEMELER
Atomik sayıları 21 ila 28, 39 ila 45, 57 ila 78 arasında ve 89 ve büyük olan malzemelerde
manyetik moment söz konusudur. En önemli aralık 21 ila 28 arasında olup, bu aralıkta
bulunan vanadium, krom, manganez, demir, nikel, kobalt ve bunların alaşımlarında netmanyetik momentleri manyetik alan altında sıfırdan farklıdır ve manyetik alan kaldırıldığına
dahi manyetizasyonları hemen kaybolmaz. Bu malzemelere ferromanyetik malzemeler adı
verilir. Bu gibi malzemelerde birbirine komşu atomların dizilimler şekil-4’deki gibi olup,
yapıları nedeniyle elektronlarının döngü eksenleri hep aynı yönde olduğundan net manyetik
momentleri bölgesel olarak sıfırdan farklıdır.
Şekil 4. Ferromanyetik maddelerin manyetik moment dizilimleri
Ferromanyetik malzemelerde manyetik akı, atomların sıralanma yönü doğrultusu boyunca bir
süreklilik içindedir. Sadece demir, nikel ve kobalttan oluşan küçük bir saf elementler
grubunda, aynı sıradaki momentler normal ısıda ferromanyetik meydana getirir. Bununla
beraber, normal ısının biraz altında bu elementlerdeki ferromanyetik etkilenmez. Isı
sonucunda oluşan kuvvetler, tamamen komşu atomlarda manyetik moment oluşturan
elektronlar arasındaki mesafeye bağlıdır. Mesafenin belli bir değerinde ferromanyetik olan
malzeme, bu belli değerin altında manyetik olmayan malzeme duruma geçer. Değişik bir
uygulama, farklı manyetik momentlere sahip farklı dizimli iki grup atom yapısından bir
magnet elde edilebilmesidir. (Şekil 5) Bu yapı ferrimanyetik bir yapı olup, bu gruptaki
malzemeler ferrit olarak bilinmektedir.
Şekil 5. Ferromanyetik maddelerin manyetizasyon vektörleri
Ferromanyetik maddeler manyetik özellik bakımından, diamanyetik ve paramanyetik
maddelere göre ayrıcalık gösterir.
• Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1’den çok büyüktür.
• Bağıl manyetik geçirgenlikleri, malzemenin cinsine, malzemeye daha önce uygulanan
manyetik işlemlere ve manyetik alan şiddetinin değerine bağlı olarak değişkendir.
• Paramanyetik ve diamanyetik maddelerde B manyetik akı yoğunluğu (endüksiyon) ile H
alan şiddeti arasında doğrusal bir ilişki varken, ferromanyetik malzemelerde bu ilişki doğrusal
değildir.
• Manyetik histerisize sahiptirler. (Şekil 6)
• Ferromanyetik maddeler Curie sıcaklığı üzerinde paramanyetik malzeme durumuna
geçerler.
4. HİSTERİSİZ ÇEVRİMİ
Ferromanyetik malzemeler, histerisiz çevrimi ile karakterize edilir. Histerisiz çevrimi, tam bir
miknatıslanma peryodunda malzemenin manyetik alan şiddeti H ile manyetik akı yoğunluğu
B arasındaki ilişkiyi gösterir.
Şekil 6. Histerisiz çevriminin elde edilişi
Uyarma akımı dolayısı ile H manyetik alan şiddeti arttırıldıkça B manyetik akı yoğunluğu da
doyma noktasına kadar artar. Bu noktadan itibaren uyarma akımı dolayısı ile H alan şiddeti
azaltılarak geri dönülecek olursa B’nin daha önce H’nin arttırılırken aldığı değerlerden daha
büyük değerler alarak eğri boyunca azaldığı görülür. Uyarma akımı kesilerek H = 0 yapılsa
bile B, bir değer alır. H’nin aynı değerleri için B’nin farklı değerler alması olayına histeresiz
adı verilir. Şekilde verilen kapalı eğri histerisiz eğrisi elde edilir.
5.NANOMANYETİK PARÇACIKLAR
Manyetik malzemenin fiziksel ölçüleri her üç boyutta da küçültüldüğünde nanoparçacık
denilen yapılara ulaşılır. Ferromanyetik özelliğe sahip malzemeler, pek çok manyetik domain
ve bu domainler arasındaki domain duvarından oluşur. Malzemenin boyutu küçüldükçe, yapı
içerisindeki domainler sahip oldukları enerjiye bağımlı olarak tek domain hale gelmeye
baslar. Bu durumda malzeme içindeki domain duvar hareketlerine ve hatalara bağlı olan
manyetik koersivite özelliğinin yani kalıcı mıknatıslık özelliğinin kaybolmasına sebep olur.
Örneğin makroskopik boyutlarda ferromanyetik olan bir malzeme belli bir kritik değerin altına
kadar küçültüldüğünde paramanyetik gibi davranmaya başlar. Aslında atomların spinleri
arasındaki etkileşmeler hala ferromanyetik olmasına ve bir parçacık içindeki tüm spinler
birbirlerine paralel olmalarına rağmen, yani parçacıklar tek başlarına ferromagnetik
olmalarına
rağmen
bu
parçacıklardan
oluşan
tozun
makroskopik
mıknatıslanması
paramanyetik bir malzemenin davranışına çok benzer.
Şekil 7.Manyetik alan altında domainler
Ferromanyetik maddelere, bir manyetik alan uygulandığında spinler yönlenir ve sonraki
manyetik doygunluk benzer materyallere göre daha düşük manyetik alanlarda elde edilir.
Manyetik alan azaldığında mıknatıslığı giderme spinlerin düzenli dönmelerine bağlıdır ve
büyük bir koersivite (Hc) gerekir. Parçacıkların her birisinin toplam mıknatıslanmasını temsil
eden bu dev spinlerin ortak davranışı süperparamanyetizma olarak adlandırılır. (Şekil 8)
Şekil 8.Hc ile parçacık boyutu arasındaki ilişki
6.FERROAKIŞKANLAR
1960larda Nasa Araştırma Merkezi manyetik alan altında kontrol edilebilir sıvıları keşfetti. Bu
nanoparçacıklardan oluşan sıvılar yaygın olarak ferroakışkan (ferrofluid) adında bilinir ve
araştırmalar için aktif bir alandır.
Ferroakışkan taşıyıcısının içinde suspansiyon olarak duran manyetik nanoparçacıklardan
oluşur. Nanoparçacıkların büyüklüğü yaklaşık 10 nm uzaklıktadır. Parçacıkların bozulmaması
için yüzeyin kaplandığı madde oldukça önemlidir.
Yüzeyin kaplandığı madde manyetik alan uygulandığında toplanmaya engel olacak güce
sahip olmalıdır ve nanoparçacıkların moleküler arası bağlarını dengelemelidir. Bu çalışmada
kaplayıcı olarak tetrametilamonyum hidroksit ve ortam sıvısı olarakta (N(CH3)4OH )
kullanılmıştır. Tetrametil amonyum hidroksit kaplı manyetik akışkan hazır alınmıştır ve ortam
sıvısı içine katılmıştır.
MANYETİT
Tetrametilamonyum katodu
Elektrostatik itme kuvveti
Hidroksit anyonu
MANYETİT
Şekil 9.Ferroakışkanın yapısı
Ferroakışkanın içine koyulduğu sıvı içinde koloit suspansiyon şeklinde kalabilmesini
sağlamak için elektrostatik itme kuvvetinin parçacıklar arası çekim kuvvetinden küçük olması
gereklidir. Ferroakışkan sisteminde iki çekim kuvveti vardır. Birincisi Van der Waals
kuvvetleri, ikincisi manyetostatik kuvvetlerdir. Ayrıca yer çekim kuvveti tüm koloit sistemi
etkileyecektir. Parçacıklar arası çekim kuvveti sıvı içindeki koloit parçacıkların kümeleşmesini
sağlar. Bu kümeleşen parçacıkların büyüklüğü 10 nm boyutunda ve yoğunluğu ise 5.2
g/cm3’tür. Ferroakışkanın yoğunluğu etki eden manyetik alanın gücü oranında değişir.
Manyetik alan parçacıkların bir arada kalmasını sağlar. Sıvı içindeki parçacık büyüklüğü
çekim kuvvetine bağlı olarak büyüyebilir. Molekülleri bir arada turan zayıf Van der Waals
kuvvetleri çeşitli dipol-dipol kuvvetlerinin çeşitliliğine göre artar.
Van der Waals çekiminin yarattığı enerji R parçacıkların yarı çapı, D parçacıkları
merkezlerinden olan uzaklığına bağlı olarak,
(1)
şeklinde yazılır. A Hamaker sabitidir. Bu etkileşim ve çekim kuvveti parçaçık büyüklüğü ile
artar.
Manyetik dipoller arasındaki etkileşim enerjisi ise;
(2)
manyetik geçirgenlik katsayısı µo, m1 ve m2 dipol momentlerinin etkileşimine ve parçacılar
arasındaki uzaklığa bağlıdır.
Manyetostatik etkileşimler, çözelti içindeki kolloid manyetik maddelerin dipol momentleri ile
artar. Bu kuvvetler çekme özelliğine sahiptir ve manyetik alan içinde manyetize olurlar.
Elektrostatik itme
Kararsız hal
Potansiyel enerji
Kararlı hal
Van der Waals çekimi
Nanoparçacıklar arası uzaklık
azalıyor
Şekil 10.Potansiyel enerji- parçacıklar arası uzaklık
Grafikte elektrostatik potansiyel nanoparçaçıklar birbirinden uzaklaştıkça azalıyor, van der
Waals kuvvetleri ise nanoparçaçıklar birbirinden uzaklaştıkça artıyor. Toplam uygulanan
enerji değişimini kullanarak parçacıklara etki eden kuvvetin yorumlayabiliriz. ∆U/∆x ile
değiştiğine göre parçaçıklara etki eden parçacık büyüklüğü artsa da azalsa da
nanoparçaçıklar minumum noktasında kararlı haldedir. Maksimum noktasında ise ∆U/∆x her
iki durumda da azalacağı için karasız haldedir.
Şekil 11.Van der Waals kuvvetlerinin etkisi ile nanoparçacıkların kümelenmesi
Ferroakışkanların en önemli özelliği de değişken manyetik alanlarda B(r)manyetik
momentleri manyetik alan paralel minumum enerji doğrultusunda dönmeleridir
(U = -µ.B).
Nanoparçacıklara etkiyen F = ∆B/∆x.µ (3)kuvveti tarafından çekilirler. Kuvvet uzaklığa göre
manyetik alan değişimine bağlı olarak değişir.
MATERYAL- YÖNTEM
Bu projede deneysel çalışmalarda 2 NeFeB adet mıknatıs, 4 adet dairesel alüminyum levha,
2 adet DC motor, çeşitli ebat ve şekillerde cam borular, ferroakışkan ve ferroakışkanın içinde
hareket ettiği çözelti NH4-OH kullanıldı.
1.FERROAKIŞKANIN YAPISININ VE ORTAM SIVISININ İNCELENMESİ
İlk olarak giriş kısmında bahsettiğimiz elektrostatik itme ve van der Waaals kuvvetlerinin
ferroakışkanlara etkisi üzerine çalışılmıştır.
Van der Waals Kuvveti=Manyetostatistik kuvvet
Şekil 12. Ferroakışkana etki eden kuvvetler
Projedeki önemli yeniliklerden biri, Amerikan patentli yağ benzeri özellik gösteren
ferroakışkanların içinde hareket edeceği ortam sıvısının bulunmuş olmasıdır. Ortam sıvısı
olarak NH4-OH kullanılmıştır. Bu malzeme bulunana kadar pek çok yağın çözünmediği bir
çok sıvı denenmiştir . Bu sıvının özelliği ferroakışkanların yüzeye yapışması ve sürtünmesini
önlemesidir. Cam boru içinde dağılmadan durabilmelerinin nedeni ise sıvı basıncının
dağılmayı engellemesidir. Bu sayede kullanılan cam boru içinde hareketi sağlanabilmiştir.
2. FERROAKIŞKANIN MANYETİK ALAN İÇİNDE HAREKETİNİN İNCELENMESİ
Deneme 1.İlk olarak askıda kalan ferroakışkanın manyetik alan içinde hareketi gözlenmiştir.
(a)
(b)
Resim 1.(a),(b) Ferroakışkanın mıknatısla şekil değiştirmesi
Şekil 13.Mıknatısla birlikte
ferrosıvının hareketi
Resim 2. Mıknatısla birlikte ferroakışkanın hareketi
Ferroakışkan içindeki nanomanyetik parçacıklar mıknatısın manyetik alanı tarafından
etkilenmekte ve boyutlarından dolayı süperparamanyetik malzeler gibi davranarak manyetik
alanda şekil değiştirmektedirler. Aynı zamanda mıknatısla etkileşmesi sonucu manyetize
olarak hareket edebilmektedir. Mıknatısı yaklaştırdığımızda parçacıklar dağılmaktadır.
Mıknatısı yaklaştırıp uzaklaştırarak manyetik alan değişimine baktığımızda manyetik
kuvvetlerin uzaklıkla ters orantılı olarak değiştiğini gözlemleyebiliriz. Bu durumda
ferroakışkan manyetik alandan uzaklaştıkça parçacıkların manyetik alan etkisinden kurtulup
birleştiği gözlenmiştir.
z ekseni
Mıknatısların x ve z koordinatlarında manyetik alan değişimleri
Gaussmetre cihazı kullanılarak ölçülmüştür. Burada amaç manyetik
alan değişimini yorumlayabilmektir.
x ekseni
Şekil 14. Kullanılan mıknatıs
Grafik 1. x ekseni üzerindeki manyetik alan değişimi
Grafik 2. z ekseni üzerindeki manyetik alan değişimi
Resim 2 de ferroakışkana z yönünde yaklaştırılan mıknatısın uyguladığı kuvvet ∆B/∆z
değişimine göre uzaklıkla azalmaktadır.
Deneme 2. Mıknatıs DC motorun merkezine yerleştirilmiştir. DC motor çalıştırıldığında yatay
cam yüzeydeki ferrofluid-NH4-OH karışımı üzerinde manyetik sıvının merkezdeki mıknatıs
üzerinde toplandığı ve dönme etkisiyle hacminin değiştiği gözlenmiştir.
Resim 3. Dönen mıknatısla ferroakışkanın hareketi
Dönen mıknatısla birlikte ferroakışkanlarda hacimlerini değiştirmekte ve hareket etmektedir.
Manyetik alan değişimi ile nanoparçacıklarda şekil değiştirmektedir. Parçacıklar arasındaki
Van der Waals kuvvetlerini manyetik kuvvetin yendiği durumlarda parçacılar birleşmekte,
manyetik alan içinde ise dağılmaktadırlar.
3. FERROAKIŞKANIN DEĞİŞKEN MANYETİK ALANDA HAREKETİNİN İNCELENMESİ
Mıknatısların hareketli olduğu bir sistem tasarlandı. Dairesel alüminyum levhalar DC motorlar
üzerine yerleştirildi. Mıknatıslardan biri 2 alüminyum levha arasına konuldu. ve sabitlendi.
Ferroakışkanın içinde bulunduğu amonyum hidroksit süspansiyon karışımı dairesel bir cam
boruya konulup bu levhalar arasında monte edilebilecek şekilde yerleştirildi. Böylece
manyetik alan etkisinde hareket sağlaması için gerekli düzenek oluşturulmuş oldu.
1 cm
2 cm
1 cm
2.mıknatıs
Şekil 15. Manyetik alan değişi ile ferroakışkanın hareketlendirilmesi için hazırlanan
düzeneğin yandan görünüşü
Resim 4. Ölçüm düzeneğinin üstten ve yandan görünüşü
Deneme 3.İlk olarak tek bir mıknatıs sabitlenmiş ve çeşitli Volt değerlerinde DC motor
çalıştırıldığında, dairesel cam boru içindeki ferroakışkanın mıknatısın manyetik alanı ile
hareketi gözlenmiş ve hızı ölçülmüştür.
DC motor
Şekil 16.Ferroakışkana etki eden
NH4OH
çözeltisi
Manyetik kuvvet =Merkezcil kuvvet
Ferroakışkan
Mıknatıs
Resim 5. Tek mıknatısla hareket
Gerilim değeri(V)
Mıknatısın hızı(m/s)
Ferroakışkanın hızı(m/s)
1,5
0,12
0,12
3
0,24
0,22
6
0,39
Mıknatısı takip edemedi.
Ferroakışkana etki eden merkezcil kuvvet hesaplanırsa Fm=mv2/r
m=23g=0,023kg (Hassas terazi ile ölçülmüştür.)
Fm= 0,023.(0,12)2/0,04 =0,0083N
Fm=0,023.(0,22)2/0,04=0,028 N
Sistemde ferroakışkanın hız değeri 0,22 m/s iken manyetik alan değişiminden kaynaklanan
manyetik kuvvet etkisi -merkezcil kuvvet- ortam sıvısından kaynaklanan sürtünme kuvvetini
yenebilmektedir. 6V dan sonra ferroakışkan mıknatısı takip
edememektedir.Sürtünme
kuvvetini yenememektedir.
(a)
(b)
ferroakışkan
mıknatıs
(a)
(b)
Şekil 17. a.Ferroakışkanın hareketlendirilmesi b.6V dan sonra ferroakışkan mıknatısı takip
edememektedir.
Ferroakışkan mıknatısın belli bir hız değerine kadar mıknatısın manyetik alanından etkilenip
onunla birlikte hareket edebilmektedir. Fakat belirli bir hız değerinin üstünde (0,39m/s)
nanomanyetik
parçacıklar
mıknatısın
manyetik
alanı
dışında
kalmakta
ve
takip
edememektedir. Manyetik alan ölçüm Grafik 2 de görüleceği üzere manyetik alan değeri
mesafe ile hızla azalmaktadır. Parçacıklar ise sıvı direncinden dolayı,sürtünme kuvvetini
yenemedikleri için yavaşlamakta ve manyetik alanı takip edememektedir.
Ferroakışkandan mıknatıs uzaklaştıkça mıknatısın oluşturduğu manyetik alan şiddeti değeri
azalmaktadır.Manyetik alan değeri azalmaktadır. Bu durumda ferroakışkana etkiyen kuvvet
uzaklaştıkça azalmaktadır.
Deneme 4. Dönen iki adet mıknatısın aynı kutupları, daha sonra zıt kutupları
birbirine
bakacak şekilde alüminyum levhalar arasına koyularak değişen manyetik etkinin ferroakışkan
üzerindeki hareketi gözlenmiştir.
Resim 6. Aynı ve zıt kutuplar birbirine doğru konumlandırıldığında durumlar
Mıknatıslar aynı kutuplar birbirine doğru konumlandırıldığında,zıt kutuplar birbirine doğru
konumlandırıldığında (Aynı fazda) ve zıt kutuplar birbirine doğru konumlandırıldığında (Faz
farkı var ise) ferroakışkanın hızı ölçülmüştür.
Sistemde mıknatısların durumu
Hız(m/s)
1.durum:
0,098
Aynı kutuplar birbirine doğru konumlandırıldığında
2.durum:
0,034
Zıt kutuplar birbirine doğru konumlandırıldığında (Aynı fazda)
3.durum:
0,076
Zıt kutuplar birbirine doğru konumlandırıldığında (Faz farkı var ise)
Tablo 1. Ferroakışkan hızı
B2
B1
1.durum
B1
B1
B2
2.durum
B2
3.durum
Şekil 18. 3 duruma göre mıknatısların manyetik alanların vektörel gösterimi
Tablo 1 de görüldüğü gibi 3 durumda ferroakışkanın hızı farklı olmaktadır. Ferroakışkanların
hızların farklı olmasının nedeni mıknatısın manyetik alanlarının büyüklüğü ile ilgilidir. 1.
durumda en yüksek değerdedir.(Şekil 16) Çünkü manyetik alanlar birbirini desteklemektedir.
Manyetik parçacıkların manyetik alan içinde hızlanmaları için manyetik alanın değişiyor
olması gerekmektedir. Burada manyetik alanın vektörel bir büyüklük olduğunu düşünürsek
sürekli değişecektir. Ve 1. durumdaki ∆B değerleri en büyük vektörel farkı verecektir.
Her 3 durum için x ekseni üzerindeki uzaklık dolayısıyla manyetik alan vektörleri sabit tutulup
z ekseni üzerindeki değişimlerden yorum yapılmıştır.
B1
B2
B1,2
Bileşke
Grafik 3. (1.durum)Aynı kutupları birbirine doğru konumlandırılan mıknatısların z yönündeki
bileşke manyetik alan değişimi
Ferroakışkan düzeneğimizde mıknatıslardan 18mm uzaklıktadır. Grafik 3 te 18 mm bileşke
manyetik alan şiddetinin büyülüğü 400 G tur.
B1
B2
B1,2
Bileşke
Grafik 4. (2.durum)Zıt kutupları birbirine doğru konumlandırılan(aynı fazda dönen)
mıknatısların z yönündeki bileşke manyetik alan değişimi
Grafik 4 te 18 mm bileşke manyetik alan şiddetinin büyülüğü 0 G tur. Zıt yöndeki manyetik
alanlar birbirini yok etmektedir.
B1
B2
B1,2
Bileşke
Grafik 5. Zıt kutupları birbirine doğru konumlandırılan (faz farkı ile dönen) mıknatısların
z yönündeki bileşke manyetik alan değişimi
Grafik 5 te 18 mm bileşke manyetik alan şiddetinin büyülüğü 200G tur. Aralarında faz farkı
bulunduğu için bileşke manyetik alan oluşmuştur.
Şekil 19 da 1,2 ve 3. durum için herhangi birΔt aralığında manyetik alan vektörlerinin
değerleri tahmini olarak çizilmiştir.
B1+ B2
B1+ B2
1.durum
B1+ B2
B1- B2
B1- B2
2.durum
B1-B2
3.durum
Şekil 19. 3 duruma göre mıknatısların Δt sürede manyetik alanların vektörel değişimi
Şekil 19 a ve grafik 3,4 ve 5 e göre manyetik alan değişimi sıralamasıΔB
1
> ΔB2 > ΔB3
olmaktadır. Buna göre mesafeye bağlı olarak manyetik alan değişimi ile doğru orantılı
değişen bir kuvvet uygulanmaktadır. Bu da parçacıkların ivmelenmesini sağlamaktadır.
Burada ΔB /Δx kullanmak bize kuvvet değişimi hakkında fikir verecektir. En büyük kuvvet
1.durumda uygulandığı için hız en büyük değerde, 3.durumda da en küçük değerdedir.
SONUÇ
Projede elektrostatik, manyetik ve sıvı içinde oluşan kuvvetlerden oluşan bir yapı üzerindeki
değişiklikler araştırılmıştır. Bu kuvvetlerden elektriksel kuvvetler manyetik parçacıkların
birleşmesinde, manyetik kuvvetler ise bu parçacıklara hareket kazanmaları ve toplu halde
hareketlerinin sağlamalarında etkilidir.
Manyetik alanda ferroakışkanların hareketlerinin
istenilen seviyede olması için manyetik alan değerinin yanında manyetik alan değişiminin
büyük olması gerektiği sonucuna varılmıştır. Kurulan sistemle ferroakışkanın hızı 98 cm/s ye
kadar çıkmıştır.
Projedeki önemli yeniliklerden biri de, Amerikan patentli yağ benzeri özellik gösteren ferro
akışkanların yüzeye yapışması ve sürtünmesini önleyecek ortam sıvısının bulunmuş
olmasıdır.
Bu projede incelenen özelliklerine göre ferroakışkanlar, lab-on chiplerde mikro yollarda sıvı
hareketi gerektiren işlemlerde veya sıvıların mekanik cihazlarda taşınması gibi manyetik
akışkan uygulamalarında kolaylıkla kullanılabilir. Özellikleri incelenen manyetik akışkanın
hacimlerinin düşük olması bu alanlarda kullanıldığında çevre kirliliğinin azalmasında da etkili
olacaktır.
KAYNAKÇA
1.Giancoli D.C.,(2005), Physics, Pearson Education Publishing Company, NJ;USA
2.Elektromekanik Enerji Dönüşümü Ders Notları, Prof.Dr. Emin Tacer, İTÜ Elektrik-Elektronik Fakültesi
3.Berger P,Preparing and Propertiies of Aqueous Ferrofluid,Journal of Chemical Education, Vol.76,
No.7, July 1999
4.Roland,P. Particle Steering by
Active Control of Magnetic Fields and Magnetic Particle
Agglomeration Avoidance, ISR Technical Report 2008-22
5.Zahn M.,Magnetic fluid and nanoparticle application to nanotechnology,
Journal of Nanoparticle
Research3: 73-78,2001
6. Beasant P., (2002), Elektronik , Tübitak Yayınları, Ankara
7. Yaz M.A, Aksoy S., Abacı S., Yalçıneli M., Teymur A., Vardar T., (1997),
Fizik 2 Elektrik ve
Manyetizma , Sürat Yayınları, İstanbul
8.Cheng D.K., (1989),
Field and Wave Electromagnetics,
Addison-Wesley Publishing
Company,NewYork,USA
9.Scherer C., Figueiredo Neto A.M., Ferrofluids: Properties and Applications, Brazilian Journal of
Physics, vol. 35, no. 3A, September, 2005
10.Yellen B.B.,Fridman G.,Friedman G., Ferrofluid lithography, Nanotechnology 15 (2004)
Download
Random flashcards
Merhaba

2 Cards oauth2_google_861773e1-0890-4522-834a-6a5babb58e76

321işletme

2 Cards oldcity

Terimler

2 Cards oauth2_google_ef32970e-e5f9-4595-9abe-394e9f6bc8d9

Create flashcards