Elektromıknatısların Kullanım Alanları ve Yüklü Parçacığa Etki Eden Manyetik Kuvvet

Kalp Pilinde Manyetik Reed Anahtarı

Ders kitabına göre kalp pillerinin çoğunda manyetik reed anahtarı denen sistemler bulunur; bu sistemler yakınındaki manyetik alandan etkilenerek anahtarı duruma göre kapalı ya da açık hâle getirebilir. Doktorlar, ameliyata gerek duymadan kalp pilinin çalışma modunu, hastanın göğsünde doğru konuma bir mıknatıs yerleştirerek değiştirebilir. Bu nedenle yapay kalp pili olan kişilerin MRG cihazının yakınında bulunurken dikkatli olması gerekir — MRG'nin ürettiği güçlü manyetik alan, kalp pilinin reed anahtarını istenmeyen şekilde tetikleyebilir.

Çözümlü Örnek: Hurda Vinci

Elektromıknatıslar; MRG cihazı, kapı zili, manyetik tren, vinç, hoparlör, mikrofon, jeneratör, su arıtma cihazı, selenoid vana ve manyetik kilit gibi birçok alanda kullanılır. Ders kitabındaki bir örnekte, A dairesel yüzey alanına sahip bir hurda vinci, demir hurdalara d kadar mesafede elektromıknatısa dönüşerek demirleri kendine çeker.

a) Daha fazla demir hurda çekebilmek için: elektromıknatıs üzerinden geçen akım şiddetinin artırılması, birim uzunluktaki sarım sayısının artırılması, A yüzey alanının artırılması veya d mesafesinin azaltılması gerekir.

b) Çektiği hurdaları bırakması için: elektromıknatısın üzerinden geçen akım sıfırlanmalıdır — bu, elektromıknatısın doğal mıknatıslara göre en büyük avantajıdır: istenildiğinde mıknatıs özelliği kazandırılabilir veya kaybettirilebilir.

Elektromanyetik Kilit ve Diğer Uygulamalar

Bir alıştırmada, iki parçadan oluşan (biri akım makarası içeren, diğeri çelik levhadan yapılan) elektromanyetik kilit sistemi incelenir: akım geçtiğinde iki parça birbirini çekerek kapıyı kilitler. Kilidin istenmeden kolayca açılabilmesi, akım şiddetinin veya sarım sayısının yetersizliğinden kaynaklanabilir — bu, B=4KπiN/L formülünün pratik bir güvenlik uygulamasına yansımasıdır.

Yüklü Parçacığa Manyetik Alanda Etki Eden Kuvvet (Lorentz Kuvveti)

Manyetik alanda üzerinden akım geçen bir tele etki eden kuvveti anlamak için önce yüklü parçacıklara etki eden kuvveti incelemek gerekir. Yüklü bir parçacık manyetik alana dik bir hızla girerse, manyetik alanın büyüklüğü B, parçacığın yükü q ve hızı v olmak üzere parçacığa etki eden kuvvet F = B·q·v ile modellenir. Parçacık manyetik alana açılı (θ açısıyla) girerse, kuvvet F = B·q·v·sinθ olur. Kuvvetin yönü sağ el kuralıyla bulunur: pozitif yüklü parçacık için sağ elin dört parmağı hız vektörünü, avuç içi manyetik alanı gösterecek şekilde tutulur; dört parmak manyetik alana kıvrıldığında başparmak kuvvetin yönünü verir. Negatif yüklü parçacıklar için kuvvet, başparmağın gösterdiği yönün tam tersidir. Manyetik kuvvet vektörü her zaman manyetik alan ve hız vektörlerinin oluşturduğu düzleme diktir; hız manyetik alanla aynı doğrultudaysa (θ=0) kuvvet sıfırdır.

Çözümlü Örnek: CRT Televizyonda Mıknatısla Görüntü Bozulması

Bir örnekte, bir CRT televizyona yaklaştırılan mıknatısın ekrandaki görüntüyü bozması incelenir: elektronlar (negatif yüklü) mıknatısın oluşturduğu manyetik kuvvete maruz kalarak düşmeleri gereken noktaya düşemez. Mıknatıs ekrana yaklaştırıldıkça manyetik alan büyüklüğü artar ve bozulma miktarı da artar; elektronların CRT içinde daha yüksek gerilimle daha hızlı hareket etmesi sağlanırsa da (F=Bqv formülüne göre v arttığından) bozulma miktarı artar.

Alıştırma Örnekleri: Kan Akış Ölçer ve Kütle Spektrometresi

Ders kitabındaki alıştırmalar, Lorentz kuvvetinin ileri tıbbi ve bilimsel uygulamalarını gösterir: elektromanyetik akışölçer, atardamardaki hareketli yüklü iyonların manyetik kuvvetle damarın üst/alt kısımlarına sapmasını ve oluşan elektriksel alanın manyetik kuvveti dengelemesini kullanarak kan akış hızını ölçer; kütle spektrometresi ise farklı kütle/yük oranına sahip iyonların düzgün manyetik alanda farklı yarıçaplarda çembersel hareket yapmasından yararlanarak izotopları ayrıştırır (bu, Ünite 1'deki merkezcil kuvvet kavramıyla F=Bqv'nin birleştiği bir uygulamadır: Bqv=mv²/r).

Özet

• Kalp pillerindeki manyetik reed anahtarları, MRG'nin güçlü manyetik alanından etkilenebileceğinden dikkat gerektirir.
• Hurda vinci örneğinde, elektromıknatısın çekim gücü akım/sarım sayısı/yüzey alanı artırılarak veya mesafe azaltılarak artırılabilir; akım sıfırlanınca çekim tamamen kaybolur.
• Yüklü bir parçacığa manyetik alanda etki eden kuvvet F=Bqv (dik giriş) veya F=Bqvsinθ (açılı giriş) ile modellenir; yönü sağ el kuralıyla (negatif yük için tersiyle) bulunur.
• Hız manyetik alanla aynı doğrultudaysa parçacığa hiç manyetik kuvvet etki etmez.
• Elektromanyetik akışölçer ve kütle spektrometresi, Lorentz kuvvetinin tıp ve bilimde kullanılan iki önemli uygulamasıdır.