Elektromanyetik Teori · 6. Ünite: Madde İçinde Manyetik Alan

Mıknatıslanmış Cismin Manyetik Alanı

Bir mıknatısın içindeki ve çevresindeki manyetik alanı, mıknatıslanma (magnetization) $\mathbf{M}$ biliniyorsa nasıl hesaplarız? Cevap şaşırtıcı biçimde basittir: $\mathbf{M}$ dağılımı, hacimde $\mathbf{J}_b=\nabla\times\mathbf{M}$ ve yüzeyde $\mathbf{K}_b=\mathbf{M}\times\hat{n}$ olan bağlı akımlara (bound currents) eşdeğerdir ve alan, bu akımların Biot-Savart ya da Ampère yasasıyla bulunan alanıdır. Bu konuda bağlı akımları vektör potansiyelden türetecek, düzgün mıknatıslanmış kürenin içinde $\tfrac{2}{3}\mu_0 M$ büyüklüğünde düzgün, dışında ise dipol alanı verdiğini gösterecek, sonucu polarize küreyle karşılaştıracak ve çubuk mıknatısı eşdeğer solenoid olarak çözeceksin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. 1. Problem: Mıknatısın Alanı Nasıl Bulunur?

  2. 2. Bağlı Akımların Türetilmesi

  3. 3. Bağlı Akımların Fiziksel Resmi

  4. 4. Düzgün Mıknatıslanmış Küre

  5. 5. Polarize Küre ile Karşılaştırma

  6. 6. Çubuk Mıknatıs: Eşdeğer Solenoid

  7. 7. Çözümlü Örnekler

  8. 8. Grafik ve Tablo Yorumu: Simülasyonda Dene

  9. 9. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  10. 10. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Bağlı akım (bound current)
Mıknatıslanmış maddede atomik akım halkalarının makroskobik toplamından doğan akım; hacimde $\mathbf{J}_b=\nabla\times\mathbf{M}$, yüzeyde $\mathbf{K}_b=\mathbf{M}\times\hat{n}$. Ampermetreyle ölçülmez ama alan üretir.
Mıknatıslanma (magnetization)
Birim hacim başına manyetik dipol momenti $\mathbf{M}=d\mathbf{m}/d\tau$ (A/m). Düzgün ise içerideki halkalar birbirini götürür.
Yüzey bağlı akım (surface bound current)
$\mathbf{K}_b=\mathbf{M}\times\hat{n}$; yüzeye teğet ve $\mathbf{M}$'ye dik. $\mathbf{M}$ yüzeye dik olduğunda sıfırdır (çubuk mıknatısın uçları).
Mıknatıslanmış küre (uniformly magnetized sphere)
$K_b=M\sin\theta$ taşır; içinde $\mathbf{B}=\tfrac{2}{3}\mu_0\mathbf{M}$ düzgün, dışında $m=\tfrac{4}{3}\pi R^3M$ momentli dipol alanı.
Manyetik dipol alanı (magnetic dipole field)
$\mathbf{B}=\dfrac{\mu_0}{4\pi}\dfrac{m}{r^3}(2\cos\theta\,\hat{r}+\sin\theta\,\hat{\theta})$; alan $r^{-3}$ ile azalır, çizgiler $r=r_0\sin^2\theta$ ilmekleridir.
Demanyetizasyon alanı (demagnetizing field)
Mıknatısın içindeki $\mathbf{H}$ alanı; $\mathbf{M}$'ye zıt yönlüdür. Kürede $\mathbf{H}=-\mathbf{M}/3$ (demanyetizasyon faktörü $1/3$).
Eşdeğer solenoid (equivalent solenoid)
Düzgün mıknatıslanmış çubuk, yan yüzey akımı $K_b=M$ taşıyan solenoid gibi davranır ($nI=M$, toplam akım $ML$).
Alan çizgileri ve $\nabla\cdot\mathbf{B}=0$
Manyetik alan çizgileri hiçbir yerde başlamaz ya da bitmez, kapalı ilmekler oluşturur; $\mathbf{H}$ ve $\mathbf{E}$ çizgileri ise yüzey kaynaklarda (manyetik/elektrik) başlayıp biter.

Örnek soru

Mıknatıslanması $\mathbf{M}$ olan bir cismin hacim ve yüzey bağlı akım yoğunlukları aşağıdakilerden hangisidir? ($\hat{n}$: yüzeyin dışa bakan birim normali)

  1. $\mathbf{J}_b=\nabla\cdot\mathbf{M},\quad \mathbf{K}_b=\mathbf{M}\cdot\hat{n}$
  2. $\mathbf{J}_b=\mathbf{M}\times\hat{n},\quad \mathbf{K}_b=\nabla\times\mathbf{M}$
  3. $\mathbf{J}_b=\nabla\times\mathbf{M},\quad \mathbf{K}_b=\mathbf{M}\times\hat{n}$
  4. $\mathbf{J}_b=\nabla\times\mathbf{M},\quad \mathbf{K}_b=\hat{n}\times\mathbf{M}$
  5. $\mathbf{J}_b=\mu_0\nabla\times\mathbf{M},\quad \mathbf{K}_b=\mu_0\mathbf{M}\times\hat{n}$

Doğru cevap: C

Çözüm

1. Mıknatıslanmış cismin vektör potansiyeli $\mathbf{A}=\dfrac{\mu_0}{4\pi}\displaystyle\int\dfrac{\mathbf{M}\times\hat{\mathbf{s}}}{s^2}\,d\tau'$ ile başlar; $\nabla'(1/s)=\hat{\mathbf{s}}/s^2$ ve çarpım kuralı uygulanınca iki integral ortaya çıkar.
2. Hacim integrali $\nabla\times\mathbf{M}$, yüzey integrali $\mathbf{M}\times\hat{n}$ içerir: $\mathbf{J}_b=\nabla\times\mathbf{M}$, $\mathbf{K}_b=\mathbf{M}\times\hat{n}$.
3. Birimler: $\mathbf{M}$ A/m olduğundan $\mathbf{J}_b$ A/m², $\mathbf{K}_b$ A/m çıkar; $\mu_0$ çarpanı gerekmez (E şıkkı).
Çeldiriciler: A şıkkı yük yoğunluklarının biçimidir ($\rho_b=-\nabla\cdot\mathbf{P}$). D şıkkı sıra değiştiği için akımı ters yöne çevirir.

Elektromanyetik Teori: tüm konular