11. Sınıf Fizik · Ünite 2
Akım Taşıyan Düz Telin Manyetik Alanı: Oersted'in İzi
Oryantiring yarışlarında pusulaların bazen neden şaşırdığını Oersted deneyi temelinde inceleyip, akım taşıyan düz telin manyetik alanının matematiksel modelini keşfedeceğiz.
Kazanım FİZ.11.2.5 · 40 dk okuma
Hayal et: Yoğun bir ormanda bir oryantiring (yön bulma) veya arama kurtarma faaliyeti içindesin. Yönünü bulmak için pusulanı çıkardın ama ibre sürekli titriyor ve yanlış yönleri gösteriyor. Yukarı baktığında devasa yüksek gerilim hatlarının tam altından geçtiğini fark ediyorsun. Peki elektrik taşıyan bu kablolar pusulanı nasıl etkiliyor olabilir?
Elektrik ve manyetizmanın tamamen bağımsız kavramlar olduğunun düşünüldüğü yıllarda, Hans Christian Ørsted adlı bilim insanı tesadüfen tam da senin ormanda yaşadığın şeye benzer bir olay gözlemledi. Ørsted, bir üniversite dersi sırasında masadaki pusulanın, içinden elektrik akımı geçen kabloya tepki verdiğini ve saptığını fark etti. O güne dek sadece mıknatısların manyetik alan ürettiği düşünülürdü. Ørsted'in bu küçük gözlemi, 'Elektromanyetizma' çağını başlattı!
Kendi Deneyimimizi Tasarlayalım
Biz de Ørsted'in deneyini sınıfımızda modelleyebiliriz. Masanın üzerine düz bir tel sabitleyelim ve yanına bir pusula koyalım. Telden elektrik akımı geçirdiğimizde pusula ibresinin saptığını göreceğiz. Peki, bu sapma miktarını (yani telin oluşturduğu manyetik alanın şiddetini) değiştiren faktörler nelerdir? Farklı gruplara ayrılıp hipotezler kuralım.
- Birinci Hipotez: Telden geçen elektrik akımının büyüklüğü (i) artarsa, manyetik alan şiddeti de artar. (Doğru orantı)
- İkinci Hipotez: Pusulanın tele olan dik uzaklığı (d) artarsa, manyetik alanın etkisi zayıflar. (Ters orantı)
Matematiksel Modelleme
Öğrenci gruplarımızın kurduğu bu doğru hipotezleri fiziksel bir denkleme dönüştürdüğümüzde, üzerinden akım geçen sonsuz uzunluktaki düz telin manyetik alan (B) formülünü elde ederiz:
Burada B manyetik alan şiddetini (Tesla), i elektrik akımını (Amper) ve d noktanın tele olan dik uzaklığını (Metre) ifade eder. K, ortamın manyetik geçirgenliğine bağlı sabit bir katsayıdır (boşluk için değeri 10^{-7} T.m/A'dır). Formüldeki '2' çarpanı ise uzaysal bir geometrik düzeltme faktörüdür.
Manyetik Alanın Yönü: Sağ El Kuralı
Manyetik alan vektörel bir büyüklüktür, yani sadece şiddeti değil bir de yönü vardır. Akım taşıyan telin etrafındaki manyetik alan, teli merkeze alan iç içe geçmiş çemberler şeklindedir. Bu çemberlerin yönünü 'Sağ El Kuralı' ile buluruz.
Sağ el kuralını uygulamak çok basittir: Sağ elinizin başparmağı akımın (i) yönünü gösterecek şekilde hayali olarak teli avucunuzun içine alın. Teli saran diğer dört parmağınızın kıvrılma yönü, manyetik alan (B) çizgilerinin dönüş yönünü verecektir.