Mıknatısın ve Statik Elektriğin Çekim Gücü Farkları

Merhaba, değerli arkadaşlar. Bazen sıklıkla birbirlerine karıştırılan başlıktaki iki farklı çekim gücünde, atom yapılarında her iki durumda oluşan bazı farklarıyla konuyu daha yakından incelemeye çalışalım.

Paramanyetik Malzemeler: Mağnetik alanlar tarafından hafifçe çekilen atomik yapıdaki malzemelerdir.

Diyamanyetik Malzemeler: Mağnetik alanlar tarafından hafifçe itilen atomik yapıdaki malzemelerdir.

Ferromanyetik Malzemeler: Demir, nikel, kobalt, gadolinyum, vb. mağnetik alanlar tarafından kuvvetle çekilen ve bu mağnetik alanlara direk maruz kalındığında geçici veya kalıcı mıknatısiyetleri içlerinde oluşturabilen atomik yapıdaki malzemelerdir.

Bu 3 farklı malzeme tanımlamasını buradan yapmamızla birlikte, paramanyetik ve diyamanyetik malzeme grubu, demir-nikel-kobalt grubuna göre milyonda birden daha az etkili olduğundan mühendislik uygulamaları azdır. Bu yüzden “ferromanyetik malzemeler” veya “ferromıknatısiyet” konusu daha detaylı incelenmiş olacaktır.


Ferromıknatısiyet: Ferromıknatısiyet, ferromanyetik malzemede atomlar içindeki elektronların yapısıyla ortaya çıkar. Atomların enerji katlarında örneğin 1. yörüngede en fazla 2 elektron bulunabilir. Bu şekilde sadece çift sayıda elektronu bulunan elementte, elektronlar hem çekirdek etrafındaki bir yörüngede, hem de kendi eksenleri etrafında (Soldan sağa veya sağdan sola) dönerler. (Dünyanın hem kendi hem güneş etrafındaki 2 ayrı dönüşü gibidir) Bu dönüşlerinde her dönen elektron adeta çok küçük birer mıknatıs gibidir, yani bu dönüşleri nedeniyle N ve S kutuplarının bu dönüşe göre oluşma şekli, kendi dönüş yönlerine göre vardır, çünkü bu dönüşleri bir manyetik momenti oluşturur.

Çift sayıda elektronu olan bir elementte, bir elektronu sağdan sola doğru, diğeri soldan sağa doğru dönerse birbirlerinin manyetik momentlerini tam olarak sıfırlarlar ve sonuç olarak hiç bir manyetik özellikleri kalmaz, bu elementler veya malzemeler bu yüzden bir mıknatıs özelliğinde olamazlar.

Ancak ayni çift sayıdaki elektrona sahip atomda, her iki elektron ayni yönlerde dönerlerse o zaman mağnetik bir momenti oluştururlar ve malzemede, elementte veya atom içinde oluşan mıknatısiyet özelliği ancak o zaman ortaya çıkmış olur. Yani bir malzemenin (elementin veya onu oluşturan tek atomun) mıknatısiyet özelliğini gösterebilmesi, sağdan sola veya soldan sağa doğru hızla dönen (spin) bu elektronların bir kısmının sayıca azınlıkta veya çoğunlukta kalması şartıyla malzeme atomundaki manyetik özelliğin ortaya çıkmasında asıl belirleyen olur.



Örneğin alfa demiri, kobalt, ve gadolinyumda oluşan mağnetik momentler yeterince kuvvetlidir ve yandaki (komşu) atomlarda ayni mağnetik hizaya getirme etkisi yapacak kadar bu atomlar birbirlerine yakındır. İşte bu durum ferromıknatısiyeti oluşturmuş olur.

Kalıcı (Daimi) Mıknatısiyetlik: Suni veya doğal manyetik alan ortadan kalktığı halde kalıcı kalan mıknatıslık özelliğidir. Doğada serbest (Cevher) olarak bulunan mıknatıs taşı (Mağnetit, Fe3O4) daimi bir mıknatıstır. Kuvvetli mıknatıs özelliğini gösterdiğinden atom yörüngesinde, kendi ekseni etrafında dönen elektronlardan, ayni yöne dönenlerinin sayısı sayıca ters yöne dönenlerin sayısından çoktur. Bu sayıar tam eşit olsaydı eğer bu malzeme de sıradan ferromanyetik malzeme olup, demir, nikel veya kobalttan daha farklı olmazdı. Sanayide çeşitli metal alaşımlarının sert, kristalik yapıdaki alaşımları (Kırıldıklarında bu ser kristal doku gözle de görülebilir) yine kalıcı mıknatıs olarak örneğin elektrodinamik hoparlörlerde, fırçalı küçük DC motorlarda stator veya niyobiyum mıknatısları olarak rzgar türbinlerinde alternatör yapımında kullanılır.

Geçici Mıknatısiyetlik: Suni (elektromıknatıs bobini mağnetik alanı) veya doğal (kalıcı mıknatısiyetin) manyetik alanı ortadan kalktığında mıknatısiyetleri de ortadan kalkan malzemelerdir. Bu malzemelerin örneğin elektrik-elektronik endüstrisinde uygulama alanı bulabilmesi malzeme özelliğinin çok uygun seçilmiş olması gerekir.



İç malzeme özelliklerinden en önemlisi “histerezis özelliği” veya “histerezis eğrisi” nin bu malzeme için optimum uygunluğudur. Seçilen her malzeme (veya demir karbon alaşımı olan çelik, döküm veya ince, yumuşak, tavlanmış saçlar için) histerezis eğrisi farklıdır. Örneğin elektrik mühendisleri veya endüstriyel trafo, elektrik motoru, kontaktör, vb. üreticileri bu eğrinin kalıcı mıknatısiyeti en az bırakanını, alternatif akımın (AC) her iki yönünde bu geçici mıknatısığı süratle (Ve en az gecikmeyle) yön değiştirebilen yumuşak ve tavlanmış saç (çelik) malzemeyi motor veya şebeke trafosu nüvesi olarak endüstriyel uygulamalarda kullanırlar. Histerezis eğrisi uygun olmayan malzemeyle bu nüveler oluşturulduğunda, AC akımdaki yön değişimlerinde, bu artık mıknatısiyet tam olarak ortadan kalkamadığı için nüvede “histerezis kaybı” olarak açığa çıkan atıl ısı enerjisi (veya istenmeyen bir enerji kaybı) çok daha fazla olur. En uygun malzemeyi seçebilmek bu yüzden çok önemlidir.

Manyetik malzeme olarak “sert veya “yumuşak” malzeme ifadesi ise ; uygulanan manyetizmanın (mağnetik alanın) kalıcı olup olmadığını gösterir.

Mekanik olarak sert malzemelerde; manyetizma içten daha kalıcı olduğundan daimi mıknatıs yapılmak istenilen “mıknatıs çelikleri” bu yüzden sert kristalli malzeme olarak seçilmiş ve ısıl işlem olarak tavlanmamışlardır.

Mekanik olarak yumuşak malzemelerde ise; bu malzemelerde bulunan ve ayni yöne mıknatıslanan iç (atomik) bölmeler ısıl tavlamayla yok edilmiştir. Bu malzemeler bu nedenle kalıcı mıknatıs olarak değil sadece trafo, elektrik motoru, kontaktör, vb. nüvesi olarak geçici (akımın ters yönlerinde ve çok hızlı değişimle) mıknatıslanmaya çok daha uygundur. Yani bir malzemenin kalıcı (daimi mi) mı yoksa geçici mıknatıs malzemesi olarak nasıl seçileceği, aslında mekanik bakımdan sert veya yumuşak malzemeyle birlikte onun tavlanmış veya tavlanmamış olarak seçilebilmesi bunun asıl belirleyicisidir.

Elektromıknatıs: Histerezis eğrisi olarak uygun malzeme seçilmiş bir nüveye (çekirdeğe) sarılı bobinlerden uygun bir elektrik akımı (AC/DC) geçirildiğinde geçici bir mıknatıs özelliğini gösteren, akımı kesildiğinde ise bu mıknatıslığı kaybolan geçici (mıknatıslığı kendi bobininden geçen akıma bağlı olan) olan mıknatıslardır, Elektrik- elektronik sanayisi bunların en fazla uygulamalarının bulunduğu bölümüdür.

Bir Elektromıknatıs Nasıl Mıknatıs Olur? Elektromıknatıs malzemesi olarak seçilen malzeme atomlarında, üzerlerindeki selenoide AC/DC akımı uygulanmadığında aslında çok sıradan bir ferromanyetik malzeme (mağnetik alanı içinden kuvvetli geçiren ve kalıcı mıknatıslarla da kolayca çekilen) özelliğindedir. Elektrik akımının ortaya çıkardğı bu mağnetik alan nüve içinden geçerken, kendi ekseni etrafında ayni ve ters yöne dönüşü eşit olan bu elektronların sayıca dengesi, bu selenoidden geçen akımın oluşturduğu mağnetik etkiyle değişir. Bu defa bir yönde dönenlerin sayısı diğer yöne doğru hızla dönen elektronların sayısından çok daha fazla olur ve o anda bu malzeme aslında doğal bir mıknatısın atomik yapısına da gelebilmiş olur. Akım kesildiğinde ise ayni ve ters yönde atom yörüngesinde, kendi ekseni etrafında dönen bu elektronlar sayıca eşitlenir,mağnetik momentleri sıfırlanır ve manyetik momentleri sıfırlandığından elektromknatısiyetleri de tam olarak kaybolmuş olur.

Elektrostatik Çekim Gücü: Çok iyi bildiğimiz gibi kuru saçları tararken sürtünen plastik bir tarak veya tüplü TV'nin ekran camı toz, tüy, hafif kağıt parçacıklarını, vb. çok yakınında kolayca kendisine doğru çeker. Buradaki çekim gücü tarakta veya tüplü TV ekranında yüksek gerilimle atomdan (en dış yörüngesinden) ayrılan elektronların oluşturduğu bir çekim gücüdür. Halbuki elektromıknatıslarda veya daimi mıknatıslarda ise çekim gücü ise buradaki gibi atomdan ayrılmış serbest elektronlar veya artı yüklü (çekirdek) parçacıklarıyla değil atom içindeki elektronların kendi eksenlerindeki dönüşlerinin sayıca üstünlüğüyle veya daha fazla olmasıyla oluşan manyetik momentlerle oluşmaktadır.

Elektrostatik Çekme Gücü Nasıl Oluşur? Elektrostatik çekimde elektrik yükleri çok yakın oldukları cisimlerin ön tarafını ters, arka yüzlerini ise ayni yükle etkiyle (yakın mesafelerden etkileyerek) elektriklendirir. Böylece ters işaretli yükler birbirlerini kolayca çekeceklerinden, ağırlık olarak yerçekimine karşı koyamayan çok hafif malzemeler, elektrostatik yüklerin varlığında bu kaynağa doğru hızla çekilerek yapışırlar.

"Ferromıknatısiyet" Kısmı Bir Derlemedir. Kaynak: Malzeme Bilimine Giriş, Lawrance H. Van VLACK, Michigan Üniversitesi, Çeviren: Recep A. SAFOĞLU, İTÜ Maden Fakültesi, Kipaş 1981, Teşvikiye/İstanbul