PROJE DANIŞMANLIĞI

T.C.
TÜBİTAK-BİDEB
YİBO ÖĞRETMENLERİ (FEN VE TEKNOLOJİ-FİZİK, KİMYA,
BİYOLOJİ- ve MATEMATİK) PROJE DANIŞMANLIĞI EĞİTİM
ÇALIŞTAYLARI
İKİ ELEKTROMIKNATIS ARASINDA BULUNAN BİR DEMİR
PARÇACIĞIN HAREKETİ
HAZIRLAYANLAR
Ahmet Sonay
Zahir Geylan
Kasım Saylan
DANIŞMANLAR
Prof. Dr. Naci İnci
Prof. Dr. Bilal Güneş
Çalıştay 2009-1
TÜSSİDE- Gebze
1
İKİ ELEKTROMIKNATIS ARASINDA BULUNAN BİR DEMİR PARÇACIĞIN
HAREKETİ
Ahmet Sonay1, Zahir Geylan2 ve Kasım Saylan3
1
Cumhuriyet YİBO, Gölbaşı Mahallesi, 23900 Sivrice, Elazığ
2
Ahlat YİBO, Ergezer Mahallesi, 13400 Ahlat, Bitlis
3
Salihiye Kız YİBO, Salihiye Mahallesi, 65400 Erciş, Van
Özet
Bu projenin amacı, iki elektromıknatıs arasında bulunan demir parçacıklarının
manyetik kuvvetlerin etkisiyle nasıl hareket ettiklerini incelemektir. Manyetik bir alan içinde
demir bir parçacığa uygulanan manyetik kuvvetin etkileri gözlemlendi ve alınan veriler tablo
haline getirilerek yorumlandı. Bunun sonucunda manyetik alanda uygulanan kuvvetin akıma
bağlı olarak arttığı, sarım sayısına bağlı olarak ise belirli bir farklılık göstermediği gözlendi.
1. Giriş
Bir noktadaki E elektrik alanını, bu noktada hareketsiz olarak bulunan bir test yükü
koyarak ve yüke etki eden elektriksel kuvvet Fe’i ölçerek belirlenir:
E = Fe / q
Eğer manyetik tek kutup olsaydı, B de benzer şekilde tanımlanabilirdi. Böyle parçacıklar
olmadığından, B, elektriksel olarak yüklü hareket eden parçacıklara etki eden manyetik
kuvvet cinsinden tanımlanabilir:
FB = q v x B
(1)
FB, Lorentz kuvveti olup, bu bağıntı, bir manyetik alan içerisinde hareket eden çeşitli yüklü
parçacıkların hareketleri ile ilgili deneyler sonucunda elde edilmiştir. Bu deneylerin sonuçları,
bir anlamda, bir B manyetik alanında hareket eden yüklü bir parçacığa etkiyen manyetik
kuvvetin (Eşitlik 1) özellikleri şöyle sıralanabilir :
1) Parçacığa etki eden manyetik kuvvetin büyüklüğü FB, parçacığın yükü ile
orantılıdır.
2) FB manyetik kuvvetin yönü ve büyüklüğü, parçacığın hızına ve B manyetik
alanının büyüklüğü ve yönüne bağlıdır.
3) Yüklü bir parçacık manyetik alan vektörüne paralel hareket ettiği zaman ona
etkiyen manyetik kuvvet sıfırdır.
4) FB manyetik kuvveti, v ve B’nin bulunduğu düzleme diktir.
5) Pozitif bir yüke etki eden manyetik kuvvet, aynı yönde hareket eden bir negatif
yüke etkiyen kuvvetin yönüne zıttır.
6) Eğer parçacığın hız vektörü, manyetik alan ile ɸ açısı yaparsa, parçacığa etki eden
manyetik kuvvetin büyüklüğü sinɸ ile orantılıdır.
2
Eşitlik 1’deki v x B vektörel çarpımının sonucu v ve B’ye dik olan bir vektördür. Şekil
1’de gösterilen sağ el kuralı, sağ elin dört parmağı avuç içi B’ye bakacak şekilde v’nin
yönünde yöneltilirse ve B’ye doğru bükülürse, diğer parmaklara dik olarak açılan başparmak
v x B’nin yönünü gösterir. Eğer ɸ pozitif ise FB, v x B’nin yönünde, negatif ise v x B ile ters
yönlüdür.
FB’nin v’ye paralel bileşeni yoktur; yani FB parçacığın hızını değiştiremez ve bu
nedenle parçacığın kinetik enerjisini de değiştiremez. Manyetik kuvvet yalnızca v’nin
doğrultusunu değiştirebilir.
Manyetik kuvvetin büyüklüğü ;
FB = |q|vBsin ɸ
olarak yazılabilir. Eşitlik 2’den manyetik alanın birimi; 1
1 T = N / C.m/s = N / A.m
Tesla (T)’dır. CGS birim sisteminde ise manyetik alan birimi Gauss (G)’dur.
1 T = 104 G
Tablo’da bazı durumlardaki manyetik alanlar verilmiştir. 3
MANYETİK
ALAN
BÜYÜKLÜKLERİNE
ÖRNEKLER
(YAKLAŞIK
DEĞERLER)
Manyetik Alan Kaynağı
Kuvvetli bir elektromıknatıs
Alan Büyüklüğü (T)
2T
Süperiletken mıknatıs
30 T
Tıpta kullanılan MR
1,5 T
Çubuk mıknatıs
10-2 T
Güneşin Yüzeyi
10-2 T
Dünyanın yüzeyi
10-4 T
İnsan beyninin içi (sinir atımlarından kaynaklanan) 10-13 T
3
Elektrik yüklü parçacıklar örneğin bir teldeki elektronlar manyetik alan oluşmasına
sebep olurlar. Bir telden elektrik akımı geçiyorsa etrafında manyetik bir alan oluşturur. İşte
elektromıknatıslar bu temel kurala dayanırlar. Bu temel prensip kullanılarak motor, selenoid,
harddiskler için okuma yazma kafası, hoparlör ve daha birçok şey yapılmaktadır.
Mıknatıslarda N ve S olmak üzere iki kutup vardır. Farklı kutuplar birbirini çeker, aynı
kutuplar ise birbirini iterler. Elektromıknatıslarda aynı özellikleri gösterirler ancak sadece
üzerlerinden elektrik akımı geçtiğinde mıknatıs özelliği göstermektedirler. Bir
elektromıknatısın çalışması için en temel olarak bir güç kaynağı ve bir bobine ihtiyaç vardır.
Manyetik Alan elektrik taşıyan her kablo üzerinde manyetik alan oluşmaktadır. Alan telden
uzaklaştıkça zayıflar. Manyetik alanın tele dik olduğu ve yönünün elektrik akımının akış
yönüne bağlıdır.
Elektromıknatıslar, genellikle ağır demirleri kaldırırken elektromıknatıslı vinçler
tarafından kullanılır. Ayrıca ziller, elektrik motorları, uzaktan kumanda düzenekleri, alarmlar
ve telgraflarda da kullanılır.2
2. Yöntem
Bir elektromıknatıs yapımı için 600 sarımlık bir bobin içine iki demir çubuk
yerleştirildi. Bobin 16 voltluk bir güç kaynağına bağlandı. Güç kaynağı çalıştırıldı ve
elektromıknatısa gerilim uygulandı. Şekil 2’de görüldüğü gibi, bir demir parçası yatay
düzlemde elektromıknatısın etki alanını belirlemek için bu alana yerleştirildi. Güç kaynağı
çeşitli gerilimlerde çalıştırılarak akım ile uzaklık arasında bağıntı bulundu.
Şekil 2
3. Bulgular ve Tartışma
Deneyimizin güvenilir sonuç vermesi için zeminin mümkün olduğu kadar eğimsiz,
yatay, düzgün ve pürüzsüz olması sağlandı. Elektromıknatısların özdeş olması sağlandı.
4
Deney aynı ortamlarda ve şartlarda uygulandı. Elektromıknatısın uyguladığı kuvvetin gerilim,
akım şiddeti ve demir parçacığın uzaklığına bağlı olduğuna dair aşağıdaki veriler elde edildi.
600 sarımlık bobin kullanıldığında elde edilen veriler
AKIM ŞİDDETİ (Amper)
UZAKLIK (m)
1.5
0,5
2,8.10-2
3
1,1
4,4.10-2
6
2,1
6. 10-2
12
4
8,9. 10-2
uzaklık
GERİLİM (volt)
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Seri 1
0,5
1,1
2,1
4
akım şiddeti
Bu işlemi 1200 sarımlık bobin kullanarak tekrar yaptığımızda şu veriler elde edildi.
GERİLİM(volt)
AKIM ŞİDDETİ (amper)
UZAKLIK(m)
3
0,3
3.10-2
6
0,6
4.10-2
12
1,1
6,5.10-2
5
Her iki elektromıknatısın uzaklık-akım ilişkisini gösteren grafik çizildi.
7
uzaklık(cm)
6
5
4
Seri 1
3
2
1
0
0,3
0,6
1,1
akım şiddeti(amper)
Özdeş iki elektromıknatıs yatay düzlemde karşı karşıya kuruldu ve aradaki uzaklık 7
cm olarak ölçüldü. İki elektromıknatısın arasına demir bilye konuldu. Demir bilye her iki
elektromıknatısın tam ortasında iken dengede kaldı. (Şekil 3)
Şekil 3
Elektromıknatıslardan birini kapattığımızda demir bilye hızla çalışan diğer
elektromıknatısa doğru hareket etti (Şekil 4). Bu işlem her iki elektromıknatısa da uygulandı.
6
Şekil 4
Elektromıknatıs düşey olarak sabitlendi. Elektromıknatısın düşey doğrultudaki
manyetik kuvvetini demir parçacığın ağırlığı ile dengeleyerek havada sabit kalması denendi.
Çok hassas bir denge noktası olduğundan tespit etmek için demir parçası bir iple bağlandı.
Denge anında düşey doğrultuda elektromıknatısın akım ve yüksekliğe(düşey uzaklık) bağlı
verileri ölçüldü.
AKIM ŞİDDETİ (amper)
YÜKSEKLİK(cm)
3,7
4,5
2
3,5
1,05
2,5
0,5
1,5
Bu verilere dayalı grafik çizildi.
akım şiddeti(amper)
h-I grafiği
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Seri 1
1,5
2,5
3,5
4,5
yükseklik(cm)
Düşey doğrultuda özdeş iki elektromıknatısı aralarında 5 cm mesafe olacak şekilde
sabitlendi. İki elektromıknatısın uyguladığı manyetik kuvvetin etkisiyle demir parçası havada
dengede tutulmaya çalışıldı. Çok hassas bir nokta olduğu için demir parçası önce boş bir
deney tüpünün içindeyken dengede tutulmaya çalışıldı.
Tam denge noktası yakalanamadı. Suyun kaldırma kuvvetinden yararlanmak için
deney tüpünün içini suyla doldurup demir parçası suyun ortasında dengede tutulması denendi.
Sonra bir ipe bağlayarak demir parçası elektromıknatıslar arasında dengede durması denendi.
Elektromıknatıslardan alttaki kapalı tutulduğunda demir parçası ip yardımıyla havada dengede
tutuldu.
4. Sonuç
Elektromıknatısların manyetik alan kuvveti, elektromıknatıstan geçen akım şiddetinin
büyüklüğüne bağlı olarak artar. İki elektromıknatıs arasındaki demir parçasına etki eden
kuvvetler birbirine eşit ve zıt yönlü olduğunda demir parçası dengede kalır.
7
Teşekkür
Çalıştay koordinatörü Prof. Dr. Mehmet Ay’a danışmanlarımız Prof. Dr. Naci İnci’ye
Prof. Dr. Bilal Güneş’e ve tüm çalıştay ekibine teşekkür ederiz.
KAYNAKLAR
1
http:// www.fizik.us/genel-fizik/manyetik-alan.html2 (21.06.2009)
2
Physics for Scientists and Engineers, 7th Ed., by R A Jewett and J W Serway
3
http://tr.wikipedia.org/wiki/Elektrom%C4%B1knat%C4%B1s (21.06.2009)
8