11. Sınıf Fizik · Ünite 2
Akım Geçen Tele Etki Eden Manyetik Kuvvet
Düz bir iletken telin manyetik alan içindeyken neden ve nasıl kuvvete maruz kaldığını, bu kuvvetin bağlı olduğu değişkenleri keşfedeceğiz.
Kazanım FİZ.11.2.8 · 40 dk okuma
Görünmez Bir İtiş Gücü
Daha önceki derslerimizde üzerinden elektrik akımı geçen bir telin çevresinde kendi manyetik alanını yarattığını öğrenmiştik. Peki, bu iletken teli halihazırda var olan, dışarıdan uygulanan güçlü bir manyetik alanın içine yerleştirirsek ne olur? Tıpkı iki mıknatısın birbirini itip çekmesi gibi, dış manyetik alan ile telin manyetik alanı etkileşime girer ve tel fiziksel bir kuvvete maruz kalarak itilir veya çekilir.
Manyetik Kuvvetin Mikroskobik Kaynağı
Telin içinden akım geçmesi demek, aslında iletken içindeki serbest elektrik yüklerinin (elektronların) sürekli bir hareket halinde olması demektir. Dış manyetik alan, hareket halindeki bu yüklere tek tek mikroskobik düzeyde bir kuvvet (Lorentz kuvveti) uygular. Elektronlara etki eden bu kuvvetler iletkenin atomik yapısına aktarılır ve sonuç olarak telin bütününü hareket ettiren devasa bir makroskobik manyetik kuvvete dönüşür.
Kuvveti Belirleyen Etmenler ve Matematiksel Model
Zihnimizde bir deney tasarlayalım ve tele etki eden kuvveti (F) artırmaya çalışalım. Deneylerden elde edeceğimiz veriler ışığında şu ilişkileri keşfederiz:
- Dış manyetik alanın şiddeti (B) artarsa tele etki eden kuvvet artar.
- Telden geçen elektrik akımının şiddeti (I) artarsa tele etki eden kuvvet artar.
- Telin manyetik alan çizgileri içerisinde kalan uzunluğu (L) artarsa kuvvet artar.
Bu doğrudan orantılı değişkenleri bir araya getirdiğimizde fizikteki şu meşhur matematiksel modele ulaşırız:
Formüldeki alfa (α) açısı, tel ile manyetik alan çizgileri arasındaki açıdır. Eğer tel manyetik alana dik konumdaysa (90 derece) sin(90)=1 olacağından kuvvet maksimum değere ulaşır. Ancak tel manyetik alan çizgilerine tamamen paralel yerleştirilirse sin(0)=0 olacağından tele hiçbir kuvvet etki etmez.
Sağ El Kuralı ile Yön Bulma
Büyüklüğünü formülle hesapladığımız bu kuvvetin yönünü bulmak için 'Sağ El Kuralı'nı kullanırız. Sağ elimizi düz tuttuğumuzda: Başparmağımız akımın yönünü (I), bitişik olan dört parmağımız manyetik alanın yönünü (B) gösterecek şekilde tutulursa; avuç içimiz tele etki eden manyetik kuvvetin (F) yönünü gösterir.
Günlük Hayattaki Yeri
Basit bir formül gibi görünen bu ilke modern teknolojinin kalbini oluşturur. Evimizdeki çamaşır makinesini döndüren elektrik motorları, kulaklıklarımızdan ses gelmesini sağlayan hoparlörler ve analog voltmetreler tamamen manyetik alandaki akım geçen tele etki eden kuvvet prensibiyle çalışır.
Akım Geçen Tele Etki Eden Manyetik Kuvvet: Alıştırma Soruları
1. Bir öğrenci, üzerinden akım geçen düz bir teli manyetik alan çizgilerine tamamen paralel olacak şekilde yerleştiriyor. Bu durumda tele etki eden manyetik kuvvet için ne söylenebilir?
- A) Maksimum değerdedir.
- B) Sıfırdır.
- C) Manyetik alanın karesiyle orantılı olarak artar.
- D) Telin uzunluğuna bağlı olarak sürekli yön değiştirir.
Cevabı göster
Doğru cevap: B) Sıfırdır.
Tel manyetik alan çizgilerine paralel olduğunda aralarındaki açı 0 derece olur. Formüldeki sin(0) = 0 olduğu için tele hiçbir manyetik kuvvet etki etmez.
2. Sağ el kuralına göre avuç içinin gösterdiği yön aşağıdakilerden hangisini temsil eder?
- A) Telden geçen akımın yönünü
- B) Dış manyetik alanın yönünü
- C) Tele etki eden manyetik kuvvetin yönünü
- D) Telin etrafında oluşan ikincil manyetik alanın yönünü
Cevabı göster
Doğru cevap: C) Tele etki eden manyetik kuvvetin yönünü
Sağ el kuralında; başparmak akımı, dört parmak manyetik alanı ve avuç içi tele etki eden manyetik kuvvetin yönünü gösterir.
3. Şiddeti 0.4 Tesla olan düzgün bir manyetik alan içine dik olarak yerleştirilen bir telden 5 Amper akım geçmektedir. Telin manyetik alan içinde kalan kısmı 50 cm olduğuna göre, tele etki eden manyetik kuvvet kaç Newton'dur?
- A) 1.0 N
- B) 2.0 N
- C) 10.0 N
- D) 100.0 N
Cevabı göster
Doğru cevap: A) 1.0 N
Kuvvet F = B * I * L * sin(α) formülüyle bulunur. Tel dik olduğu için sin(90) = 1'dir. Uzunluk metreye çevrilmelidir (L = 50 cm = 0.5 m). F = 0.4 * 5 * 0.5 * 1 = 1.0 Newton bulunur.
4. Manyetik alan içinde akım geçen bir tele kuvvet etki etmesinin en temel, mikroskobik nedeni aşağıdakilerden hangisidir?
- A) Telin kütleçekim kuvvetinden etkilenmesi
- B) Hareket halindeki elektrik yüklerine (elektronlara) dış manyetik alanın kuvvet uygulaması
- C) Manyetik alanın telin sıcaklığını artırarak genleşmeye sebep olması
- D) Manyetik alanın telin direncini artırması
Cevabı göster
Doğru cevap: B) Hareket halindeki elektrik yüklerine (elektronlara) dış manyetik alanın kuvvet uygulaması
Dış manyetik alan, yalnızca hareket eden yüklere kuvvet uygular. Teldeki akım da hareketli serbest elektronlardan oluştuğu için, kuvvet bu elektronlara etki eder ve telin bütününe aktarılır.
5. Uzunluğu L olan bir tel, B şiddetindeki manyetik alan içine 30 derecelik açıyla yerleştirildiğinde tele etki eden kuvvet F olmaktadır. Aynı tel, manyetik alan şiddeti 2B olan bir alana dik olarak (90 derece) yerleştirilirse tele etki eden kuvvet kaç F olur? (sin30 = 0.5, sin90 = 1)
- A) F
- B) 2F
- C) 3F
- D) 4F
Cevabı göster
Doğru cevap: D) 4F
İlk durumda kuvvet: F1 = B * I * L * sin(30) = 0.5 * B*I*L (Yani F = 0.5 B*I*L). İkinci durumda kuvvet: F2 = 2B * I * L * sin(90) = 2 * B*I*L. 2 katsayısı, 0.5 katsayısının 4 katı olduğu için yeni kuvvet 4F olur.