Mıknatıslar Nasıl Çalışır? Kutuplar, Elektronlar, Demir

Mıknatıslık elektronlara dayanır; Ulusal Yüksek Manyetik Alan Laboratuvarı'na (National High Magnetic Field Laboratory, MagLab) göre durum budur. Her mıknatısın bir kuzey ve bir güney kutbu vardır, zıt kutuplar çeker, aynı kutuplar iter.

1. Her mıknatısın ortak özellikleri

MagLab tüm mıknatısların paylaştığı birkaç özelliği sıralar:

• Her mıknatısın bir kuzey kutbu ve bir güney kutbu vardır.
• Zıt kutuplar çeker, aynı kutuplar iter. Kuzey güneyi çeker; kuzey kuzeyi iter.
• Her mıknatıs bir manyetik alanla çevrilidir. Geleneksel olarak alan çizgileri kuzey kutbundan uzağa ve güney kutbuna doğru yönelir.

Dünya'nın kendisi dev bir mıknatıstır. MagLab, bilim insanlarının Dünya'nın manyetik alanının, büyük ölçüde demirden oluşan gezegenin sıvı dış çekirdeğindeki konveksiyon akımlarından geldiğine inandığını açıklar. Buna jeodinamo denir.

2. Her şey elektronlara dayanır

MagLab'a göre tüm mıknatıslık iki yoldan biriyle elektronlara dayanır:

1. Hareket eden elektronlar. Bir telden akan elektron akışı olan elektrik akımı her zaman bir manyetik alan oluşturur. Elektromıknatıslar böyle çalışır.
2. Dönen elektronlar. Buzdolabınızdaki gibi kalıcı mıknatıslarda mıknatıslık elektronların spininden gelir. Her elektron, kendi kuzey ve güney kutbu olan küçük bir mıknatıs gibi davranır ve ekseni iki olası yönden birini gösterebilir.

3. Çoğu şey neden mıknatıssal değil

Her elektron küçük bir mıknatıssa, her şey neden mıknatıssal değil?

MagLab, çoğu malzemede atomların, bir elektronun manyetik yönelimi diğerinin yönelimini yok edecek şekilde dizildiğini açıklar. Tüm bu küçük mıknatıslar zıt yönleri gösterir ve etkileri fark edebileceğiniz hiçbir şey vermeyecek şekilde toplanır.

4. Demiri özel kılan: manyetik domenler

Demir ve birkaç başka madde farklıdır. Atomları manyetik domen adı verilen küçük bölgeler hâlinde gruplanır. Her domenin içinde elektronlar aynı manyetik yönelimi paylaşır.

Peki sıradan bir demir çivi neden mıknatıs değildir? Çünkü domenlerin kendileri farklı yönleri gösterir; bu yüzden genel olarak birbirlerini yine yok ederler.

O çiviyi bir manyetik alana koyarsanız domenler aynı yönde hizalanmaya başlar. MagLab sonucu basitçe tarif eder: kalıcı mıknatıs, tüm domenlerin aynı yönde hizalandığı bir nesnedir.

Böyle davranan malzemelere ferromanyetik denir. MagLab, oda sıcaklığında yalnızca dört elementin ferromanyetik olduğunu ve kalıcı olarak mıknatıslanabildiğini belirtir: demir, nikel, kobalt ve gadolinyum. Beşincisi olan disprozyum ise yalnızca düşük sıcaklıklarda ferromanyetik olur. Alüminyum bu listede yok; bu yüzden bir mıknatıs alüminyum gazoz kutusundan kayıp düşer. Buzdolabı kapısı ise MagLab'ın sınıf etkinliğinde listelediği günlük geçici mıknatıslardan biridir.

5. Kalıcı mıknatıslar ve geçici mıknatıslar

Kalıcı mıknatıslar mıknatıslıklarını herhangi bir güç olmadan korur. Onları kapatamazsınız. MagLab, seramik mıknatısları ve alüminyum, nikel ve kobalt alaşımı olan alnico'yu iki yaygın tür olarak adlandırır.

Geçici mıknatıslar yalnızca bir manyetik alandayken mıknatıs gibi davranır. Yumuşak demir böyle davranır ve MagLab bunun telefonlar ve elektrik motorları gibi cihazlarda geçici mıknatıs olarak kullanılmasının nedeni olduğunu belirtir.

Bunu ataçlarla görebilirsiniz. Bir MagLab sınıf etkinliğinde, mıknatısa değen bir ataç kendisi mıknatıs olur ve ikinci bir ataçı tutabilir. İki ataçı yavaşça ayırırsanız bir süre birbirine yapışık kalırlar, çünkü elektronları hâlâ düzenlidir. Onları masaya düşürürseniz sarsıntı bu düzeni bozar ve mıknatıslık kaybolur.

6. Mıknatıslar çekim güçlerini nasıl kaybeder

"Kalıcı" sonsuza dek demek değildir. MagLab bir mıknatısı mıknatıssızlaştırmanın iki ana yolunu tarif eder:

• Isı. Isı eklemek hizalanmayı bozan enerji ekler. Bir mıknatısın alanını artık tutamadığı sıcaklığa Curie noktası denir.
• Darbe. Çekiç gibi sert bir darbe, hizalı domenleri hizadan çıkarabilir.

Bir mıknatısın ne kadar dayanacağı malzemesine bağlıdır. MagLab, saf demirin yalnızca birkaç dakika mıknatıslanmış kaldığını, birçok demir alaşımının ise mıknatıslığını çok daha uzun tuttuğunu belirtir.

7. Elektromıknatıslar: açma düğmesi olan mıknatıslar

1819'da Hans Christian Ørsted, akım taşıyan bir telin yakınındaki pusula ibresinin döndüğünü fark etti. MagLab nedenini açıklar: akım her zaman telin etrafında dönen bir manyetik alan üretir.

Tek bir düz tel zayıf bir alan oluşturur. MagLab onu güçlendirmenin yolunu anlatır:

1. Teli sarın. Halkalar hâlinde sarmak ayrı alanları çok daha güçlü bir alanda birleştirir. Böyle bir bobine solenoid denir ve alanı sarım sayısıyla orantılı artar. On sarım, bir sarımın yaklaşık 10 katı alan verir.
2. Demir bir çekirdek ekleyin. Demirin domenleri bobinin alanıyla hizalanır ve daha fazla elektrik kullanmadan alanı belirgin biçimde artırır.
3. Akımı artırın. Bobinden geçen güç ne kadar fazlaysa alan o kadar güçlüdür.

Akımı keserseniz alan kaybolur.

8. Bir mıknatıs ne kadar güçlüdür?

Bilim insanları manyetik alan şiddetini tesla ve gauss ile ölçer; 1 tesla 10.000 gauss'a eşittir. MagLab bazı karşılaştırmalar verir:

Elektromıknatıslar kalıcı mıknatıslardan çok daha yükseğe çıkabilir; araştırma laboratuvarlarının ve hastane MR cihazlarının onlara dayanmasının nedeni budur.

9. Önemli noktalar

• Her mıknatısın bir kuzey ve bir güney kutbu vardır; zıt kutuplar çeker, aynı kutuplar iter.
• Mıknatıslık, ya akım olarak akan ya da yerinde dönen elektronlardan gelir.
• Çoğu malzemede elektron mıknatısları birbirini yok eder; demirde ve birkaç başka metalde domenler hâlinde hizalanırlar.
• Kalıcı mıknatıs, domenlerinin hepsi aynı yönü gösteren bir malzemedir; ısı veya sert bir darbe onları dağıtabilir.
• Elektromıknatıs, çoğu kez demir çekirdekli, akım taşıyan bir bobindir ve akım kesilince kapanır.