mıknatıs

demiri çeken ve çevresinde bir magnetik alan oluşturan cisimlerin ortak adı.
19. yüzyılın sonuna gelindiğinde bilinen bütün elementlerin ve pek çok bileşiğin magnetik özellikleri incelenmişti. En sık rastlanan özellik diyamagnetizma idi ou özelliğe sahip cisimler bir mıknatısın her iki kutbu tarafından da hafifçe itilen cisimlerdir. Krom gibi bazı malzemeler ise paramagnetizma özelliği gösterirler; bu türden malzemelerde, bir mıknatısa yaklaştınldıklarında, hafif bir mıknatıslık indüklenir. Bu mıknatıslanma, cisim mıknatıstan uzaklaştırıldığında ortadan kalkar. Yalnızca üç elementin ferromagnetizma, bir başka deyişle kalıcı olarak mıknatıslanabilme özelliği gösterdiği belirlenmiştir; bu elementler demir, nikel ve kobalttır.

Mıknatıslanma süreci.

Mıknatıslanmayı belirleyen ve günümüzde de kullanılan nicelikler 1850’de William Thomson (Lord Kelvin) tarafından tanımlanmış ve adlandırılmıştır. Mıknatıslanmış bir cismin içindeki magnetik akı yoğunluğunun büyüklüğü B simgesiyle gösterilir; H ise mıknatıslayan kuvvetin, bir başka deyişle mıknatıslanmaya yol açan magnetik alanın büyüklüğünü simgeler. Bu iki nicelik arasındaki bağıntı B-pH eşitliğiyle verilir; burada p, malzemenin mıknatıslanmasının bir ölçüsüdür. Uluslararası Birimler Sistemi’nde (SI) B’nin birimi tesladır (T). £, magnetik akı yoğunluğunu (birim alan başına magnetik akı) simgelediği ve magnetik akının SI birimi weber (Wb) olduğu için tesla ile weber/m2 (Wb/m2) birimleri birbirinin eşdeğeridir. FTmn birimi ise amper/m’dir (A/m). Eskiden B için gauss, H için de oersted birimleri kullanılmaktaydı. Magnetik geçirgenliğin SI birimi ise henry/m’dir (H/m).

Bütün ferromagnetik cisimler histerezis özelliği gösterir. Histerezis, malzemedeki mıknatıslanmanın, bu mıknatıslanmaya yol açan magnetik alandaki değişmelere göre zaman gecikmesiyle oluşması olgusudur. Bu gecikmenin nedeni malzemedeki iç sürtünmelerden kaynaklanan enerji kayıplarıdır. T'nın değeri değiştirilerek oluşan B değerleri ölçülür ve sonuçlar bir grafikle gösterilirse, çizimde görülen ve histerezis halkası olarak adlandırılan eğri elde edilir. Çizimde görüldüğü gibi, B değerlerinin H artarken izlediği eğri ile H azalırken izlediği eğri birbirinden farklıdır. Bir malzemenin mıknatıs olarak kullanılabilirliğine ilişkin özellikleri histerezis eğrisi yardımıyla belirlenebilir. Bs magnetik akı yoğunluğunun doyma değeridir ve malzemenin en çok ne kadar mıknatıslanabileceğinin ölçüsüdür. Br artık akı yoğunluğu olarak adlandırılır ve mıknatıslaydı alan kaldırıldığında malzemede kalacak olan sabit mıknatıslanmayı gösterir; tesla (ya da weber/m2) birimiyle ölçülen bu değer sürekli mıknatıs olarak kullanılacak bir malzemenin niteliğinin bir ölçüsüdür.

Sürekli mıknatıslanmış bir cismin mıknatıslığını gidermek amacıyla cisme ters yönde bir mıknatıslayıcı alan uygulamak gerekir. Mıknatıslanmayı yok eden alan şiddeti değeri Hc ile gösterilir ve gideren alan olarak adlandırılır; bu değer amper/m birimiyle ifade edilir. Bir kalıcı mıknatısın mıknatıslığını uzun süre kaybetmeden sürdürebilmesi için Hc değerinin olabildiğince büyük olması gerekir. Büyük Br ve Hc değerleri genellikle akı yoğunluğunun doyma değeri büyük olan ve mıknatıslanmak için yüksek alan şiddeti isteyen malzemelerde bulunur. Bu nedenle kalıcı mıknatıs yapımında kullanılan bir malzemenin niteliği ulaşabileceği en büyük BH çarpımı ile ifade edilir; (BH)max ile gösterilen ve enerji çarpımı olarak da adlandırılan bu nicelik, belirli bir hava aralığında istenen akı yoğunluğunu sağlamak için gerekli mıknatıs malzemesi hacmini belirler.

Ferromagnetik maddelerin magnetik bölge (domen) olarak adlandırılan ve her biri mıknatıslanarak doyan çok sayıda küçük hacimlerden oluştuğu görüşü 1907’de ortaya atılmış, magnetik bölgelerin varlığı 1931’de deneysel olarak kanıtlanmıştır. Bu bölgelerin mıknatıslanmaları rasgele doğrultularda ise ferromagnetik cisim dış dünyaya mıknatıslanmamış olarak görünür. Her bölge komşu bölgelerden bir bölge duvarıyla ayrılmıştır. Duvar dolayında mıknatıslığın yönü bir bölgeden ötekine birden değişir.

Hiç mıknatıslanmamış durumdaki bir ferromagnetik malzemenin mıknatıslanma süreci üç aşama içerir:
1) Zayıf mıknatıslayıcı alan: Bölge duvarları, yönlenişi mıknatıslayıcı alanın yönünde olan bölgeler genişleyecek, öteki bölgeler ise daralacak biçimde yer değiştirir; bu yer değiştirme tersinir niteliktedir, bir başka deyişle mıknatıslayıcı alan kaldırılırsa duvarlar eski konumlarına döner, artık mıknatıslanma yoktur.

2) Orta şiddette mıknatıslayıcı alan: Duvarların yer değiştirmesi büyür, bunların çoğu tersinmez niteliktedir. Alan yönünde yönlenmiş bölgeler çok genişler. Uygulanan magnetik alan kaldırıldığında bölge duvarlarının bir bölümü eski konumuna geri dönemez, belirli ölçüde bir artık mıknatıslanma oluşur.

3) Güçlü mıknatıslayıcı alan: Bölge duvarları büyük ölçüde yer değiştirir, duvarların çoğu ortadan kalkar. Alan şiddeti artırıldığında, henüz alan doğrultusunda yönlenmemiş bölgeler de giderek yön değiştirir; bu süreç bütün bölgelerin alana paralel duruma geldiği doyma durumuna ulaşılıncaya değin sürer. Uygulanan alan kaldırıldığında bazı bölge duvarları yeniden ortaya çıkabilir, bazı bölgelerin mıknatıslanma yönü alan yönünden sapabilir. Artık mıknatıslanma en büyük değerdedir.

Br, Hc ve (BH)max değerleri, bölge duvarlarının malzeme içinde yer değiştirme ve bölge mıknatıslığının doğrultu değiştirme kolaylığına bağlıdır. Malzeme içindeki süreksizlikler ve yapı kusurları duvar hareketlerini engeller. Böylece, mıknatıslayıcı alan duvarı bir engelin ötesine geçirdikten sonra, duvar kendiliğinden bu engeli aşıp eski konumuna dönemez, bunun için ters yönde bir alanın uygulanması gerekir. Bu nedenle bu engellerin artık mıknatıslanmayı artırıcı etkisi vardır. Arı, homojen bir malzemede ise pek az sayıda yapı kusuru bulunur, bu tür malzemeler zayıf magnetik alanlarda bile kolaylıkla doyuma ulaşırlar ve artık mıknatıslanmaları da
zayıftır.

Mıknatıslık giderimi ve magnetik yönserlik.

Magnetik bölgelerin doğrultu değiştirme özellikleri açısından göz önüne alınması gereken iki önemli özellik vardır: Mıknatıslık giderimi ve magnetik yönserlik (anizot- ropluk; malzemenin değişik doğrultularda farklı magnetik özellikler göstermesi). Mıknatıslık giderimi örneğin biçimiyle ilgilidir. Her mıknatıs, çevresinde bir magnetik alan oluşturur. Bu alanın kuvvet çizgilerinin yönü, bu alanın tek başına var olduğu varsayılan bir kuzey kutbuna uyguladığı kuvvetin yönü olarak tanımlanır; bu yön mıknatısı mıknatıslarken uygulanan alanın yönüne göre ters yöndedir. Bu nedenle her mıknatıs, kendisinin oluşturduğu ve yönü kendi mıknatıslığını giderme yönünde olan bir magnetik alanın içindedir. Bu olgu mıknatıslık giderimi etkisi olarak adlandırılır. Magnetik kuvvet çizgilerinin mıknatıs içine hapsedilmesi ve çevreye yayılmasına izin verilmemesi durumunda bu etki ortaya çıkmaz. Bu nedenle çevresi boyunca mıknatıslanmış torus (halka) biçiminde bir mıknatıs, bütün kuvvet çizgileri kendi içinde kapalı halkalar oluşturduğundan, kendi mıknatıslığını giderici bir etki yaratmaz. Çubuk mıknatıslarda mıknatıslık giderimi etkisinin en alt düzeyde tutulabilmesi için, bunlar birinin kuzey kutbu öbürünün güney kutbuna gelecek biçimde paralel çiftler halinde ve uçlarına yumuşak demirden parçalar yerleştirilerek saklanmalıdır.

Mıknatıslık gideriminin magnetik bölgelerin doğrultu değiştirmesiyle ilişkisi, mıknatıslanmayı gidermeye çalışan alanın bir magnetik enerji deposu olduğu göz önüne alınarak açıklanabilir. Bütün doğal sistemler gibi, mıknatıs da herhangi bir kısıtlama yoksa, mıknatıslığını depolanan enerjiyi en küçük değerde tutacak (bir başka deyişle, giderim alanını en küçük yapacak) yönde sürdürmeye çalışacaktır. Mıknatıslığın doğrultusunu değiştirerek bu minimum enerji doğrultusundan saptırmak için, giderim alanının şiddetini yükseltmek, bu amaçla da bu alanda depolanan enerjiyi artırmak üzere bir iş yapılması gerekir. Bu nedenle bir magnetik bölgenin doğrultusunu doğal minimum enerjili doğrultusundan saptırmak için bir dış magnetik alan uygulanmalıdır, bu alan mıknatıslığı giderici kuvvetlere karşı bir iş yaparak bu dönmeyi sağlar. Bölgenin doğrultu değiştirmesi, bu anlamda, engellenmiş bir olgudur.

Bölgelerin doğrultu değiştirmesini engelleyen ikinci mekanizma magnetik kristal yönserliği olarak adlandırılır ve benzer minimum enerji koşullarından kaynaklanır. Magnetik madde kristallerinin bazı doğrultularda daha kolay mıknatıslanabildiği ilk kez 1847’de gözlenmişti. Bu olgu kristalde atomların dizilişindeki bakışımdan (simetrri kaynaklanır. Örneğin, izometrik (kübik) kristal yapıda olan demirde kristalleri küpün ayrıtları doğrultusunda mıknatıslamak daha kolaydır, bu nedenle kristalin mıknatıslanması yönser özelliklidir.

Magnetik yönserlik malzeme içindeki gelinimden de kaynaklanabilir. Mıknatıslanma, malzeme içinde oluşan gerinimin doğrultusuna dik olacak biçimde yönlenme eğilimindedir. Bazı magnetik alaşımlarda ise magnetik yönserliğin indüklemeyle ortaya çıktığı gözlenir. Yüksek sıcaklıkta tavlanmakta iken bir dış magnetik alan içine konan malzemede uygulanan alanın doğrultusuna paralel bir kolay mıknatıslanma doğrultusu oluşur.
Yukarıda anlatılanlar çeliğin yumuşak demire oranla neden daha iyi bir kalıcı mıknatıs malzemesi olduğunu açıklamaktadır. Çelikteki karbon, çok küçük demir karbür kristalitlerinin (çok küçük kristal parçacığı) demirin içinde ikinci bir faz olarak çökelmesine yol açar.

Çökelen parçacıklar ile demir arasındaki faz sınırlan bölge duvarlanmn yer değiştirmesini engeller; böylece Hc ve Br arı demire oranla büyük ölçüde artmış olur.
En iyi kalıcı mıknatıs, bölge duvarlarının kımıldayamaz durumda bulunduğu ve bütün bölgelerin mıknatıslıklarının birbirine paralel olduğu bir malzemeyle elde edilebilir. Bu ideal koşullan, doyma mıknatıslanması yüksek, her biri tek başına bir bölgeden oluşan, tekeksenel yönserlik özelliği bulunan ve birbirlerine paralel olarak mıknatıslanmış çok sayıda parçacıktan oluşan bir mıknatıs sağlayabilir.

Toz mıknatıslar.

Sıkıştırılmış tozdan mıknatıs yapımında temel sorun parçacık boyutlarının, her parçacığın tek bir bölge oluşturacak kadar küçük, ama malzemenin ferromagnetik özelliklerini kaybetmesine olanak vermeyecek kadar da büyük olmasını sağlamaktır. Bu tür mıknatısların üstünlüğü kalıba dökülerek ve tezgâhta işlenerek istenen biçime kolaylıkla sokulabilmesidir. Buna karşılık, tek bölgeden oluşan parçacıklar arasında ortaya çıkan çok güçlü magnetik etkileşimler c’nin ve bir ölçüde de Br nin azalmasına yol açar. Bu nedenle mıknatıs yapımında daha çok alaşımlardan yararlanılmaktadır.

Yönserliği yüksek alaşımlar.

Tekeksenel magnetik kristal yönserliği büyük olan alaşımlar mıknatıs yapımına çok uygundur. Bu tür alaşımlar arasında en çok kullanılanlar kobalt-platin (CoPt) ve manganez-bizmut (MnBi) alaşımlarıdır.

Alniko alaşımları.

Bölge duvarlarının yer değiştirmesi engellenirse yüksek Hc değerleri elde edilir. Bu durum iki ayrı faz içeren alaşımlarda, özellikle fazlardan birinin öbürü içinde küçük parçacıklı çökelti biçiminde dağılmış olduğu alaşımlarda ortaya çıkar. Demir, nikel ve alüminyumdan oluşan alaşımlar bu özelliğe sahiptir. Uygun oranlardaki demir, nikel ve alüminyuma az miktarda kobalt, bakır ya da titan karıştırılarak elde edilen alaşımlara genellikle alniko alaşımları denir.

Azrak toprak-kobalt alaşımları.

Birçok elementin atomu tek başına iken bir magnetik momente sahiptir (bir başka deyişle her atom tek başına küçük bir mıknatıstır). Ama elementi oluşturmak üzere bir araya gelen atomların mıknatıslıkları birbirlerinin etkisini yok eder, sonuçta ferromagnetizma özelliği ortaya çıkmaz. Yalnızca demir, nikel ve kobaltta mıknatıslıklar tam olarak birbirlerini yok etmez ve belirli bir net mıknatıslık gözlenir. Ne var ki bu mıknatıslık 16°C’den yüksek sıcaklıklarda tümüyle yok olur. Bazı azrak toprak elementleri de çok düşük sıcaklıklarda ferromagnatizma özelliği gösterir. Bu olgudan pratik olarak yararlanma olanağı yoktur.

Baryum ferrit.

Temel bileşimi BaO : 6Fe2C3 olan baryum ferrit, mıknatıstaşı olarak da 358 adlandırılan magnetitin değişik bir biçimidir, ama kristal yapısı heksagonal olduğundan çok yüksek değerde tek eksenli magnetik yönserliğe sahiptir, bu nedenle Hc değeri büyüktür. Malzeme toz haline getirildikten sonra mıknatıslanır, sıkıştırılır ve sinterlenir. Sinterleme sıcaklığı ve süresi kristalitin büyüklüğünü, dolayısıyla elde edilen mıknatısın özelliklerini belirler. Kristalitlerin çok küçük olması durumunda Hc büyük olur, Br ise Zs’nin yaklaşık yansı kadardır. Kristalit boyutlan büyüdükçe Br büyür ama Hc küçülür. Baryum ferrit televizyon resim tüplerindeki odaklama mıknatıslannda yaygın olarak kullanılır.
Toz ferrit, yapay reçine ya da kauçukla yapıştınlarak yan bükülgen ve bıçakla kolayca kesilebilen, çubuk, şerit ya da levha biçiminde bir malzeme haline getirilir. Bu tür malzeme buzdolabı kapılannda mıknatıslı tutucu ve hava sızdırmaz conta olarak kullanılır.

Magnetik geçirgenliği yüksek malzemeler.

Magnetik alanlardan yararlanarak çalışan motor, üreteç, transformatör ve elektromıknatıs gibi aygıtlarda kullanılan magnetik malzemelerin özellikleri, kalıcı mıknatısların yapımında kullanılan malzemelerin özelliklerinden çok farklı olmak durumundadır. Bu tür malzemelerden zayıf magnetik alanların etkisiyle bile kuvvetle (yüksek akı yoğunluğu içerecek biçimde) mıknatıslanmaları, magnetik alan ortadan kalkınca da mıknatıslıklarını tümüyle yitirmeleri istenir.
Demir, üç ferromagnetik metal içinde atom başına en yüksek magnetik momente sahip element olduğundan, yüksek Bs değeri gereken uygulamalar için en uygun malzemedir.

Bölge duvarlarının hiçbir engelle karşılaşmadan kolayca yer değiştirmesine olanak sağlamak için, demirin yapısal kusurlardan tümüyle arındırılmış olması gerekir. Demirde karbon, kükürt, oksijen ve azot gibi elementlerin, çok az miktarda bile olsa bulunması büyük sakıncalar yaratır. Bu nedenle elektrikli aygıtlarda kullanılan levha demirde (sac) katışkı oranının yüzde 0,4’ün altında olması gerekir.

Demire az miktarda (yüzde 4 oranında) silisyum katılarak elde edilen alaşımın önemli üstünlükleri olduğu anlaşılmıştır. Silisyumun varhğı demirin magnetik kristal yönserliğini önemli ölçüde azaltır, bunun sonucu olarak Hc değeri ve histerezis kayıplan azalır. Bu arada Bs değeri de biraz küçülür, ama bu sakıncaya karşılık başka üstünlükler sağlanır; bunların en önemlisi elektriksel direncin artmasıdır. Magnetik akımın sürekli olarak yön değiştirdiği aygıtlardaki magnetik malzemede Foucault akımlan indüklenir. Magnetik malzemenin direnci ne kadar küçükse ve akının yön değiştirme frekansı ne kadar büyükse indüklenen Foucault akımlannın şiddeti de o kadar büyüktür. Bu akım magnetik malzemenin ısınmasına yol açarak enerji kaybına neden olur. Belirli bir frekans için bu akımın en küçük değere indirilebilmesi malzemenin direncinin olabildiğince büyük seçilmesiyle olanaklıdır.

Değişik oranlarda nikel ve demir içeren alaşımlara permalloy denir. Alaşımdaki nikel oranı azaltıldıkça doyma mıknatıslanması yükselir, yüzde 50 nikel için Bs en yüksek değerdedir; nikel oranı azaltılırsa Bs düşmeye başlar, yüzde 27 nikel için sıfıra iner; nikel oranı daha da azaltıldığında Bs yeniden yükselmeye başlar. Yüzde 78,5 nikel içeren alaşım en yüksek magnetik geçirgenliğe sahiptir; bu alaşım permalloy A olarak adlandırılır. Özel olarak imal edilmiş permalloy A alaşımının bağıl magnetik geçirgenliği 1.000.000 dolayında olabilir; bu da permalloy A’ya, akı yoğunluğunun yüksek olmadığı uygulamalarda, demire ve silisyumlu demire oranla büyük üstünlük sağlar.

Genel formülü Me0Fe203 olan (burada Me bir metali simgeler) ferritler magnetik özellikleri bakımından yararlı malzemelerdir. Baryum ferritin kristal yapısının heksagonal olmasına karşılık ferritlerin çoğu spinel kristal yapısındadır. Spinel ferritlerin tümünün Hc değerleri çok küçüktür ve histerezis halkaları çok dardır. Ayrıca elektriksel dirençleri ve magnetik geçirgenlikleri yüksektir. Bu niteliklerinden ötürü ferritler yüksek frekanslı elektronik devrelerde yaygın olarak kullanılır. Doyma mıknatıslanmaları demir alaşımlarına oranla düşük olduğundan, ferritler, güçlü magnetik alanlar içeren enerji transformatörlerinde kullanılmaz. Ferritler sert, kırılgan, seramiğe benzer malzemelerdir; biçim verilmeleri zordur. Ferritlerin en yaygın kullanım alanını bilgisayar bellekleri oluşturur.