Elektromanyetizma, elektrik ve manyetik alanlardan ışığa kadar her şeyden sorumlu olan evrenin temel kuvvetlerinden biridir. Başlangıçta, bilim adamları manyetizma ve elektriğin ayrı kuvvetler olduğuna inanıyorlardı. Fakat 19. yüzyılın sonlarına doğru, bu görüş değişti, çünkü araştırma pozitif ve negatif elektrik yüklerinin bir kuvvetle (yani manyetizma) yönetildiğini kesin olarak gösterdi.
O zamandan beri, bilim adamları elektromanyetik alanları test etmeye ve ölçmeye ve yeniden yaratmaya çalıştılar. Bu amaçla, manyetik alanı indüklemek için elektrik akımı kullanan bir cihaz olan elektromıknatıslar oluşturdular. Bilimsel bir araç olarak başlangıç buluşlarından bu yana, elektromıknatıslar elektronik cihazların ve endüstriyel işlemlerin düzenli bir özelliği haline gelmiştir.
Elektromıknatıslar kalıcı mıknatıslardan ayırt edilirler, çünkü sadece içinden bir akım geçtiğinde diğer metalik nesnelere manyetik bir çekim gösterirler. Bu, manyetik çekiciliğinin gücünün kontrol edilebilir ve istenildiği zaman açılıp kapatılabilmesi için çok sayıda avantaj sunar. Bu nedenle manyetik etkileşimlerin istendiği her yerde araştırma ve endüstride yaygın olarak kullanılmaktadırlar.
Elektromıknatısların Tarihçesi:
Elektrik ve manyetizma arasındaki ilk kaydedilen keşif, Danimarkalı bilim adamı Hans Christian Orsted'in pusulanın üzerindeki iğnenin yakındaki bir pil açıldığında manyetik kuzeden uzağa işaret ettiğini fark ettiği 1820'de gerçekleşti. Bu sapma onu manyetik alanların tıpkı ışık ve ısı gibi elektrik akımı taşıyan bir telin her tarafından yayıldığına ikna etti.
Kısa süre sonra bulgularını yayınladı ve bir elektrik akımının bir telden akarken manyetik bir alan ürettiğini matematiksel olarak gösterdi. Dört yıl sonra, İngiliz bilim adamı William Sturgeon, bakır tel ile sarılmış at nalı şeklindeki bir demir parçasından oluşan ilk elektromıknatıs geliştirdi. Akım telden geçtiğinde, diğer demir parçalarını çeker ve akım durduğunda mıknatıslanmayı kaybeder.
Modern standartlara göre zayıf olsa da, Sturgeon’un elektromıknatıs potansiyel faydalarını gösterir. Sadece 200 gram (7 ons) ağırlığa rağmen, yaklaşık 4 kg (9 pound) ağırlığındaki nesneleri sadece tek hücreli bir pilin akımı ile kaldırabilir. Sonuç olarak, araştırma hem elektromanyetiklere hem de elektrodinamiğin doğasına yoğunlaşmaya başladı.
1930'lara gelindiğinde, Amerikalı bilim adamı Joseph Henry, elektromıknatıs tasarımında bir dizi iyileştirme yaptı. İzoleli tel kullanarak, tek bir çekirdeğe binlerce dönüş tel yerleştirebildi. Sonuç olarak, elektromıknatıslarından biri 936 kg (2,063 lbs) ağırlığa kadar destekleyebilir. Bunun elektromıknatıs kullanımı üzerinde popüler bir etkisi olacaktı.
Elektromıknatıs Çeşitleri:
Bir telde akan bir elektrik akımı Amper yasası nedeniyle telin etrafında manyetik bir alan oluşturur. Bu yasa, herhangi bir kapalı döngü yolu için, uzunluk elemanlarının yönündeki uzunluk elemanlarının toplamının, uzunluk elemanının yönündeki manyetik alanın zamanına eşit olduğunu belirtir.
Manyetik alanı bir elektromıknatısta yoğunlaştırmak için, tel birçok kez bir bobine sarılır ve dönüş telinin kenar boyunca yan yana olmasını sağlar. Tel dönüşleriyle üretilen manyetik alan, bobinin merkezinden geçer ve orada güçlü bir manyetik alan oluşturur. Mıknatısın, alan çizgilerinin çıktığı tarafı, Kuzey Kutbu.
Bir sarmalın şeklini alan bir tel bobinine “solenoid” denir. Bununla birlikte, bobinin içine bir ferromanyetik malzeme (yani demir) yerleştirilirse çok daha güçlü manyetik alanlar üretilebilir. Bu, yalnızca bir bobinin gücünün bin katından daha fazla manyetik alan oluşturabilen “ferromanyetik çekirdek” (veya “demir çekirdek elektromıknatıs”) olarak adlandırılır.
O zaman telin ferromanyetik bir çekirdeğin etrafına sarıldığı “toirodal çekirdek” olarak bilinen şey kapalı bir halka (yani manyetik devre) şeklini alır. Bu durumda, manyetik alanlar kapalı bir halka şeklini alır ve böylece manyetik alana havadan çok daha az “direnç” sunar. Sonuç olarak, manyetik alanın yolunun çoğu çekirdek içindeyse daha güçlü bir alan elde edilebilir.
Ve sonra süper iletken malzemelerden (niyobyum-titanyum veya magnezyum diborid gibi) sarmal telden oluşan “süper iletken” elektromıknatıslar vardır. Bu teller ayrıca elektrik direncinin minimum olmasını sağlamak için kriyojenik sıcaklıklarda tutulur. Bu tür elektromıknatıslar, sıradan telden çok daha büyük akımlar iletebilir, bu da herhangi bir elektromıknatısın en güçlü manyetik alanlarını yaratırken, aynı zamanda enerji kaybı olmadığı için çalışması daha ucuzdur.
Elektromıknatıslar için Modern Kullanım Alanları:
Günümüzde, büyük ölçekli endüstriyel makinelerden küçük ölçekli elektronik bileşenlere kadar çok sayıda elektromıknatıs için uygulama bulunmaktadır. Ek olarak, elektromıknatıslar, özellikle süperiletkenlik ve hızlı ivme gerektiren bilimsel araştırma ve deneyler yapmak için yaygın olarak kullanılmaktadır.
Elektromanyetik solenoidler söz konusu olduğunda, bunlar muntazam (yani kontrollü) bir manyetik alan gerektiğinde kullanılır. Aynısı, mıknatısın alan kuvvetini yoğunlaştırmak için bir demir veya başka bir ferromanyetik çekirdeğin takılabileceği veya çıkarılabildiği demir çekirdekli elektromıknatıs için de geçerlidir. Sonuç olarak, solenoid mıknatıslar, belirli bileşenlerin kontrollü hareketini sağlamak için manyetizmanın uygulandığı ve kontrol edildiği elektronik paintball belirteçleri, langırt makineleri, nokta vuruşlu yazıcılar ve yakıt enjektörlerinde yaygın olarak bulunur.
Çok güçlü manyetik alanlar, düşük direnç ve yüksek verimlilik üretme yetenekleri göz önüne alındığında, süper iletken elektromıknatıslar genellikle bilimsel ve tıbbi ekipmanlarda bulunur. Bunlar hastanelerde Manyetik Rezonans Görüntüleme (MRI) makinelerini ve Nükleer Manyetik Rezonans (NMR) spektrometreleri, kütle spektrometreleri ve ayrıca partikül hızlandırıcıları gibi bilimsel araçları içerir.
Elektromıknatıslar müzikal ekipman söz konusu olduğunda da yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunlar arasında hoparlörler, kulaklıklar, elektrikli ziller ve manyetik kayıt ve teyp gibi veri depolama ekipmanları bulunur. Multimedya ve eğlence endüstrisi, VCR'ler ve sabit diskler gibi aygıtlar ve bileşenler oluşturmak için elektromıknatıslara dayanır.
Elektrik enerjisini mekanik torka dönüştürmekten sorumlu motorlar olan elektrikli aktüatörler de elektromıknatıslara dayanır. Elektromanyetik indüksiyon aynı zamanda güç hatları boyunca alternatif akımın voltajlarını arttırmak veya azaltmaktan sorumlu olan güç transformatörlerinin çalıştığı araçlardır.
Yemek pişirme, üretim ve tıbbi tedavi için kullanılan indüksiyonlu ısıtma, elektrik akımını ısı enerjisine dönüştüren elektromıknatıslara da dayanıyordu. Elektromıknatıslar, ağır nesneleri kaldırmak için manyetik çekim kullanan manyetik kaldırıcılar veya hurda metalden ferromanyetik metalleri ayırmaktan sorumlu manyetik ayırıcılar gibi endüstriyel uygulamalar için de kullanılır.
Ve son olarak, ama kesinlikle en az değil, maglev trenlerinin uygulaması var. Bir trenin bir parkurun üzerinde yükselmesine izin vermek için elektromanyetik kuvvet kullanmanın yanı sıra, süper iletken elektromıknatıslar da trenlerin yüksek hızlara hızlandırılmasından sorumludur.
Kısacası, elektromıknatısların kullanımları neredeyse sınırsızdır, tüketici cihazlarından ve ağır ekipmanlardan kitle geçişine kadar her şeyi güçlendirir. Gelecekte, iyon tahrik sistemlerinin yüklü parçacıkları (yani iyonları) hızlandırmak ve itme sağlamak için manyetik alanlar kullandıkları uzay yolculuğundan da sorumlu olabilirler.
Burada Space Magazine'de elektromıknatıslarla ilgili birçok ilginç makale yazdık. İşte Elektriği Kim Keşfetti ?, Mıknatıslar Neler Yapılır ?, Mıknatıslar Nasıl Çalışır ?, Dünya'nın Manyetik Alanı ve İyon Tahriki.
Daha fazla bilgi için, NASA Eğitim Kaynakları'nın Elektromıknatıslarla Deneme ve Elektromıknatıs olarak Dünya'nın Rolü ve Auroras'ın Yaratılması ve NASA Dalgaboyu’nun Elektromıknatıslardaki sayfasına göz atmayı unutmayın.
Stuff Works'te ayrıca “Elektromıknatısların Nasıl Çalıştığına Giriş” başlıklı harika bir sayfa var ve Ulusal Yüksek Manyetik Alan laboratuvarında (MagLab) elektromıknatıslar, nasıl yapılır ve nasıl çalıştıkları hakkında harika makaleler var.
Astronomy Cast'ı da kontrol edebilirsiniz. Bölüm 103 elektromanyetik kuvvetlerle ilgilidir.
