Manyetizma ve Elektromanyetik İndüksiyon Konu Notu (AYT Fizik)

Konu Özeti

Akım taşıyan iletkenler çevrelerinde manyetik alan oluşturur ve bu alan başka akımlara ya da hareketli yüklere kuvvet uygular. Bu ilişki elektrik ile manyetizmanın birbirinden ayrılamayacağını gösterir. Manyetik akıda değişim olduğunda ise devrede elektromotor kuvveti ve indüksiyon akımı oluşur. Konu; tel, çerçeve, yüklü parçacık ve indüksiyon başlıklarını birbirine bağlar.

Temel Kavramlar

Akım Taşıyan Tellerin Manyetik Alanı

Akım geçen iletkenin çevresinde manyetik alan oluşur. Alanın yönü sağ el kuralıyla bulunur: baş parmak akım yönünü gösterirken kıvrılan dört parmak alan çizgilerinin yönünü verir. Manyetik alanın birimi tesladır (T) ve alan çizgileri kapalı eğrilerdir.

Düz tel: B = k·i / d (k = μ₀ / 2π)

Dairesel halka merkezi: B = μ₀·N·i / (2r) (N: sarım sayısı)

• Alan, telden uzaklaştıkça (d arttıkça) azalır.
• Halkanın merkezinde alan yönü, sağ el dört parmak akım yönünde kıvrıldığında baş parmakla bulunur.
• Birden fazla telin alanı vektörel toplanır; zıt yönlü alanlar birbirini azaltır.
• Akımın yönü değişirse alanın yönü de ters döner.

Manyetik Alanda Akım Taşıyan Tele Etki Eden Kuvvet

F = B·i·ℓ·sinθ

Kuvvetin yönü sağ el kuralıyla bulunur: dört parmak B yönünü, baş parmak akım yönünü gösterirken avuç içi kuvvet yönünü verir. Kuvvet hem B'ye hem akıma diktir. Tel alana paralelse (θ = 0°) kuvvet sıfırdır, dikse (θ = 90°) kuvvet maksimumdur.

• Paralel ve aynı yönlü akım taşıyan teller birbirini çeker.
• Paralel ve zıt yönlü akım taşıyan teller birbirini iter.
• Teller arası kuvvet: F = 2k·i₁·i₂·ℓ / d

Dikdörtgen Çerçeveye Etki Eden Kuvvetler ve Dönme Etkisi

Düzgün manyetik alanda akım taşıyan dikdörtgen çerçevenin zıt kenarlarına eşit büyüklükte, zıt yönlü kuvvetler etki eder. Net kuvvet sıfırdır, ancak bu kuvvetler bir kuple oluşturduğu için çerçeveye tork uygular. Elektrik motorlarının ve galvanometrelerin çalışma ilkesi budur.

τ = N·B·i·A·sinα (α: B ile çerçeve düzlemine dik doğrultu arasındaki açı)

• Çerçeve düzlemi B'ye paralelken tork maksimumdur.
• Çerçeve düzlemi B'ye dikken tork sıfırdır (denge konumu).
• Komütatör, akım yönünü çevirerek dönmenin sürmesini sağlar.

Yüklü Parçacıkların Hareketi

Manyetik kuvvet: F = q·v·B·sinθ

Manyetik kuvvet hıza diktir, bu yüzden iş yapmaz ve hızın büyüklüğünü değiştirmez; yalnızca yönünü değiştirir. Parçacık B'ye dik girerse düzgün çembersel hareket yapar. Hız B'ye paralelse kuvvet sıfırdır ve parçacık doğrusal gider.

q·v·B = m·v² / r → r = m·v / (q·B), T = 2π·m / (q·B)

• Periyot hızdan ve yarıçaptan bağımsızdır.
• Hız B ile θ açısı yapıyorsa hareket sarmal (helis) olur.
• Elektrik alanda F = q·E; pozitif yükte kuvvet alan yönünde, negatif yükte ters yöndedir ve yük ivmelenir.
• Hız seçici: q·E = q·v·B ise v = E / B. Bu hızdaki parçacıklar sapmadan geçer.

Manyetik Akı

Φ = B·A·cosα (birim: weber, Wb = T·m²)

Manyetik akı, bir yüzeyden geçen manyetik alan çizgilerinin sayısıyla orantılıdır. α, B ile yüzeyin normali arasındaki açıdır. Yüzey B'ye dikse akı maksimum, paralelse sıfırdır.

İndüksiyon Akımı

Kapalı bir devreden geçen manyetik akı zamanla değişirse devrede indüksiyon emk'sı ve indüksiyon akımı oluşur (Faraday yasası). Akı; B'nin, alanın A yüzeyinin ya da α açısının değişmesiyle değişebilir. Manyetik alanda hareket eden iletken çubukta da emk oluşur.

ε = −N·ΔΦ / Δt

Hareketli çubuk: ε = B·ℓ·v (B, ℓ, v karşılıklı dik); i = ε / R

• Lenz yasası: İndüksiyon akımı, kendisini oluşturan akı değişimine karşı koyacak yönde oluşur (eksi işaretinin anlamı).
• Akı artıyorsa indüksiyon akımının alanı mevcut alana zıt, azalıyorsa aynı yöndedir.
• Akı değişimi yoksa emk oluşmaz; önemli olan akının büyüklüğü değil değişim hızıdır.
• Mıknatısı bobine hızlı sokmak emk'yı artırır, çünkü Δt küçülür.

Özindüksiyon

Bobinden geçen akım değiştiğinde bobinin kendi manyetik akısı da değişir ve bobinde kendi akım değişimine karşı koyan bir emk oluşur. Buna özindüksiyon denir. Bobin, akımın ani artışını ya da azalışını geciktirir.

ε = −L·Δi / Δt (L: özindüksiyon katsayısı, birimi henri, H)