Akım Makarası (Selenoid) ve Elektromıknatıslar

MRG Cihazındaki Sarmal Halkalar

Tıpta hastalıkların teşhisinde kullanılan MRG cihazında manyetik alandan yararlanılır: cihazın tünel şeklindeki kısmında, üzerinden akım geçtiğinde manyetik alan oluşturan büyük sarmal halka şeklinde iletken teller bulunur. Bu halkalar 1-2 tesla seviyesinde çok güçlü bir manyetik alan oluşturabilir; öyle ki MRG cihazı bulunduğu odanın uzak köşelerindeki demir benzeri metalleri (hatta karşı odalardaki metal sedyeleri) çekebilecek kadar güçlüdür.

Akım Makarasının Tanımı ve Manyetik Alanı

Uzun bir iletken telin sarmal (helezonik) şekilde bir doğru boyunca sarılmasıyla oluşturulan düzeneğe akım makarası (selenoid) denir. Halkalar birbirine çok yakın sarıldığında oluşan manyetik alan çizgileri çubuk mıknatısınkine benzer: makaranın bir ucu N kutbu, diğer ucu S kutbu gibi davranır. Makaranın uzunluğu arttıkça iç kısmındaki manyetik alan düzgün elektriksel alana benzemeye başlarken dış kısmındaki alan zayıflar.

İdeal Akım Makarasının Matematiksel Modeli

İdeal akım makarasında, makaranın uzunluğu halkaların yarıçapına göre çok fazladır ve halkalar çok sık sarılmıştır; bu durumda makara içindeki manyetik alan her noktada aynı (düzgün), dışındaki manyetik alan ise sıfır kabul edilir. İdeal akım makarasının merkez ekseninde oluşan manyetik alanın büyüklüğü; akım şiddeti (i) ile doğru, sarım sayısı (N) ile doğru, telin ilk ve son sarımı arasındaki uzunluk (L) ile ters, ortamın manyetik alan katsayısı (K) ile doğru orantılıdır. Bu ilişki B = 4·K·π·i·N/L matematiksel modeliyle ifade edilir; burada N/L, birim uzunluktaki sarım sayısını temsil eder.

Elektromıknatıslar

Akım makarası bazen demir, nikel, kobalt gibi maddelerin etrafına sarılabilir; bu durumda makaranın oluşturduğu manyetik alandan etkilenen madde mıknatıs özelliği kazanır ve makaranın manyetik alanının büyüklüğünü artırır. Bu düzeneklere elektromıknatıs denir. Elektromıknatısın manyetik alanının yönü de sağ el kuralıyla bulunur: bu kez sağ elin dört parmağı çembersel tel üzerinde akımın dönüş yönünde kıvrılır, başparmak ise makaranın içinde oluşan manyetik alanın yönünü gösterir.

Çözümlü Örnek: Dört Elektromıknatıs Düzeneği

Ders kitabındaki bir örnekte, dört farklı elektromıknatıs düzeneğinin (farklı uzunluk ve sarım sayısı kombinasyonlarıyla) çektiği raptiye miktarları karşılaştırılır. Devrelerin dirençleri aynı olduğundan akımı belirleyen pillerin potansiyel farkıdır. Manyetik alan büyüklüğü i·(N/L) oranıyla orantılı olduğundan: 1. düzenek (uzunluk 2L, sarım N, akım i) en düşük oranı (i·N/2L) verirken, 2. düzenek (uzunluk 2L, sarım N, akım 2i), 3. düzenek (uzunluk L, sarım N, akım i) ve 4. düzenek (uzunluk 2L, sarım 2N, akım i) hepsi aynı orana (i·N/L) ulaşır. Sonuç olarak 1. düzenek en az raptiye çekerken, diğer üç düzenek eşit miktarda raptiye çeker. Bu örnek, B=4KπiN/L formülündeki değişkenlerin (akım, sarım sayısı, uzunluk) farklı kombinasyonlarla aynı sonuca ulaşabileceğini gösteren zarif bir problem çözme alıştırmasıdır.

Alıştırma Örneği: Elektromıknatısla Çekilen Oyuncak Araba

Bir alıştırmada, tavana sabitlenmiş bir elektromıknatısın, üzerine çubuk mıknatıs yapıştırılmış tahta bir oyuncak arabayı çekmesi incelenir. Anahtar kapatıldığında araba elektromıknatısa doğru hareket eder. Bu örnekte, arabanın hareket yönünün üzerindeki mıknatısın kutup yönüne bağlı olup olmadığı (elektromıknatısla zıt kutup her zaman çeker, dolayısıyla kutup yönü fark etmez — sadece hangi ucun döneceği değişir), arabanın elektromıknatısa yaklaşma süresinin nasıl kısaltılabileceği (akımı artırmak, mesafeyi azaltmak) ve hareket sırasında ivmenin nasıl değiştiği (mesafe azaldıkça manyetik kuvvet ve dolayısıyla ivme artar) sorgulanır.

Özet

• Akım makarası (selenoid), sarmal şekilde sarılmış bir tel düzeneğidir; ideal makarada iç kısımda düzgün, dış kısımda sıfır manyetik alan oluşur.
• İdeal akım makarasının merkez ekseninde oluşan manyetik alan B=4KπiN/L formülüyle ifade edilir: akım ve sarım sayısıyla doğru, uzunlukla ters orantılıdır.
• Elektromıknatıs, akım makarasının demir gibi bir çekirdek etrafına sarılmasıyla oluşturulan ve manyetik alanı güçlendiren bir düzenektir.
• Dört elektromıknatıs örneğinde, i·(N/L) oranı aynı olan farklı düzenekler (farklı akım/sarım/uzunluk kombinasyonlarıyla) aynı büyüklükte manyetik alan ve dolayısıyla aynı çekim gücü üretir.
• Elektromıknatısla çekilen oyuncak araba örneğinde, kutup yönünden bağımsız olarak elektromıknatıs her zaman zıt kutbu indükleyip çeker; mesafe azaldıkça çekim kuvveti ve ivme artar.