11. Sınıf Fizik · Ünite 2
Akım Makarasının (Bobinin) Manyetik Alanı
Düz telin ötesine geçerek, bir akım makarasının (bobin) merkezinde oluşan manyetik alanın yönünü ve büyüklüğünü keşfedeceğimiz, kendi elektromıknatısımızı tasarlayacağımız heyecan verici bir ders.
Kazanım FİZ.11.2.6 · 40 dk okuma
Akım Makarası (Bobin) Nedir?
Düz bir telin etrafında oluşan manyetik alanı daha önce incelemiştik. Peki bu teli bir silindirin, örneğin boş bir kalem gövdesinin veya bir çivinin etrafına sıkıca sararsak ne olur? Elde ettiğimiz bu yapıya akım makarası, bobin veya solenoid adını veriyoruz. Üzerinden elektrik akımı geçtiğinde, bu sıradan tel sarımları birleşerek çok güçlü bir elektromıknatısa dönüşür!
Manyetik Alanın Yönü: Sağ El Kuralı
Bobinin oluşturduğu manyetik alanın yönünü bulmak için düz telde kullandığımız sağ el kuralını ufak bir değişiklikle uyguluyoruz. Haydi elinizi hazırlayın!
Sokratik Sorgulama: Manyetik Alanın Büyüklüğünü Neler Etkiler?
Diyelim ki laboratuvardayız ve elimizdeki elektromıknatısın daha fazla ataş çekmesini istiyoruz. Öğrenci gruplarına ayrıldınız ve şu sorular üzerine hipotezlerinizi test ediyorsunuz:
- Akımı artırırsak manyetik alan güçlenir mi? Evet! Sisteme daha fazla pil ekleyip akımı artırdığınızda elektromıknatısın çekim gücü de artar.
- Sarım sayısını artırırsak ne olur? Aynı uzunluktaki çiviye ne kadar çok tel sararsanız, manyetik etki o kadar katlanarak büyür.
- Makaranın uzunluğu ile ilişki nedir? Eğer sarımları gevşetip bobini uzatırsanız (sarımlar arası boşluğu açarsanız), manyetik alan seyrekleşir ve merkezdeki büyüklüğü zayıflar.
Matematiksel Modelimiz
Yaptığımız testler sonucunda ulaştığımız verileri birleştirdiğimizde, akım makarasının merkezindeki manyetik alan büyüklüğü için şu modele ulaşırız:
Burada K manyetik sabit, N sarım sayısı, I akım şiddeti ve L (veya küçük l harfi) makaranın uzunluğudur. Formüldeki N/L kısmı 'birim uzunluğa düşen sarım sayısı' olarak bilinir ve bobinin ne kadar sıkı sarıldığını ifade eder.
Günlük Hayattan Örnekler
Eski tip kapı zillerinin tokmağını zile vurduran mekanizma, hurdalıklarda dev arabaları bir oyuncak gibi kaldıran vinçler ve hatta hastanelerdeki o devasa MR (Manyetik Rezonans) cihazları temel olarak birer akım makarasıdır. Elektriği kontrol ederek istediğimiz an açıp kapatabildiğimiz bu dev mıknatıslar, modern teknolojinin kalbinde yer alır.
Akım Makarasının (Bobinin) Manyetik Alanı: Alıştırma Soruları
1. Bir akım makarasının (bobin) merkezinde oluşan manyetik alanın yönünü bulmak için sağ el kuralı kullanılır. Bu kural doğru bir şekilde uygulandığında, yana açılan başparmak aşağıdakilerden hangisini gösterir?
- A) Elektrik akımının yönünü
- B) Bobinin merkezindeki manyetik alanın yönünü (Kuzey Kutbu)
- C) Sarım sayısının miktarını
- D) Bobinin uzunluğunu
Cevabı göster
Doğru cevap: B) Bobinin merkezindeki manyetik alanın yönünü (Kuzey Kutbu)
Sağ el kuralında bobini kavrayan dört parmak akımın yönünü gösterdiğinde, yana açılan başparmak bobinin merkezinden geçen manyetik alanın yönünü gösterir. Bu yön aynı zamanda elektromıknatısın Kuzey (N) kutbunu temsil eder.
2. Laboratuvarda kendi yaptığı elektromıknatısın daha fazla toplu iğne çekmesini (manyetik alanının güçlenmesini) isteyen bir öğrenci, aşağıdaki değişikliklerden hangisini yapmalıdır?
- A) Bobinden geçen elektrik akımını azaltmalıdır.
- B) Bobinin uzunluğunu aynı tutup sarım sayısını azaltmalıdır.
- C) Üretecin gerilimini artırarak bobinden daha büyük bir akım geçirmelidir.
- D) Sarımları birbirinden uzaklaştırarak bobin uzunluğunu artırmalıdır.
Cevabı göster
Doğru cevap: C) Üretecin gerilimini artırarak bobinden daha büyük bir akım geçirmelidir.
Manyetik alanın büyüklüğü, akım (I) ve sarım sayısı (N) ile doğru, bobin uzunluğu (L) ile ters orantılıdır. Üretecin gerilimini artırmak akımı artıracağı için manyetik alanı da doğrudan güçlendirir.
3. L uzunluğundaki bir makaraya N sarım yapılıp I akımı geçirildiğinde bobinin merkezindeki manyetik alan büyüklüğü B olmaktadır. Başka bir makaraya 2L uzunluğunda 4N sarım yapılıp 2I akımı geçirilirse merkezindeki manyetik alan büyüklüğü kaç B olur?
- A) 1
- B) 2
- C) 4
- D) 8
Cevabı göster
Doğru cevap: C) 4
İlk durumda B = 4πK · (N·I)/L'dir. İkinci durumda yeni manyetik alan = 4πK · (4N · 2I)/(2L) = 4πK · (8NI)/(2L) = 4πK · 4(N·I)/L olur. Sonuç olarak manyetik alan 4 katına çıkar.
4. Bir akım makarasının üzerinden sabit bir akım geçmektedir. Öğretmen, öğrencilerinden manyetik alanın büyüklüğünü yarıya düşürmelerini ister. Buna göre öğrenciler; I. Sarım sayısını yarıya indirmek, II. Bobinin boyunu (uzunluğunu) iki katına çıkarmak, III. Akım şiddetini iki katına çıkarmak işlemlerinden hangilerini tek başına yapabilir?
- A) Yalnız I
- B) I ve II
- C) II ve III
- D) I, II ve III
Cevabı göster
Doğru cevap: B) I ve II
Manyetik alan B = 4πK · (N·I)/L formülü ile hesaplanır. B'nin yarıya düşmesi için ya paydaki değerler (N veya I) yarıya inmeli, ya da paydadaki değer (L) iki katına çıkmalıdır. Bu nedenle I ve II işlemleri tek başına bu sonucu verir.
5. Çok uzun, yalıtılmış iletken bir teli ortadan ikiye bölerek iki eşit parça elde ediyoruz. Birinci parçayı L uzunluğundaki bir makaraya sararak N sarımlı bir bobin yapıyoruz ve I akımı geçiriyoruz. İkinci parçayı ise sarım çapı aynı olan L/2 uzunluğundaki başka bir makaraya sıkıca sarıyoruz ve 2I akım geçiriyoruz. İkinci makaranın merkezindeki manyetik alan büyüklüğü, birinci makaraya göre nasıl değişir?
- A) Değişmez
- B) 2 katına çıkar
- C) 4 katına çıkar
- D) 8 katına çıkar
Cevabı göster
Doğru cevap: C) 4 katına çıkar
Tellerin toplam boyu ve sarım çapları aynı olduğu için her iki bobinde de sarım sayısı (N) tamamen aynıdır. İkinci bobinde akım (I) 2 katına çıkmış, makara uzunluğu (L) ise yarıya inmiştir. B, I ile doğru ve L ile ters orantılı olduğundan; akımdan dolayı 2 kat, uzunluğun yarıya inmesinden dolayı 2 kat olmak üzere toplamda 4 katına çıkar.