Etiket: Manyetizmanın Nedir ?





Manyetizma Nedir ? ve Tarihi

Manyetizmanın Tarihi

Manyetizma, insanların eski çağlardan beri aşina olduğu bir olgudur. Adını ilk kez gözlendiği yer olan Manisa’nın eski adı Magnesia’dan alır. Önceleri farklıişaretli (artı ve eksi) noktasal elektrik yüklerinin olmasınabenzer biçimde farklı işaretli noktasal manyetik yüklerin de olduğu düşünülmüştü. Ancak bugünekadar gözlemlene bilmiş herhangi bir manyetiktek kutup yoktur. Örneğin bir mıknatısın kuzey ve güneyolarak adlandırılan iki kutbu vardır. Ancak mıknatısikiye bölündüğü zaman oluşan parçaların birininmanyetik “yükü” kuzey, diğerininki “güney” olmaz.Parçaların her ikisinin de yine bir kuzey kutbu,bir güney kutbu vardır yani parçalar çiftkutupludur.1819’da Oersted’in elektrik akımlarının çevredekielektrik yükleri üzerinde manyetik kuvvet oluşturduğunu keşfetmesiyle elektrik ve manyetizmanın birbiriile ilişkili olduğu anlaşıldı. Bir yıl sonra Amperemanyetizmanı kaynağı ile ilgili, kendi adı ile anılanhipotezi ileri sürdü: Manyetizmanın kaynağı elektrikyüklerinin hareketidir. Manyetik tekkutuplar yoktur,fakat elektrik yüklerinin dairesel hareketi sonucundamanyetik çiftkutuplar oluşur. Elektroman yetikkuramın gelişmesindeki en önemli aşamalardan biriFaraday’ın elektrik ve manyetik “alanlar” kavramlarınıöne sürmesi oldu. Faraday değişen manyetik alanlarınelektrik alanları ürettiğini de (manyetik indüksiyonyasası) keşfetti. Bugün değişen elektrik alanlarında manyetik alanlar ürettiğini biliyoruz. Ancak buetki Faraday’ın 1800’lerin teknolojisiyle laboratuvardagözlemleyemeyeceği kadar küçüktü. Fakat Maxwellelektromanyetik kuramın tutarlı bir biçimde matematikselolarak ifade edilebilmesi için bu etkinin degerekli olduğunu fark etti ve 1873’te tüm elektromanyetikyasalarını matematiksel denklemlerle ifade etti.Bugün Maxwell denklemleri olarak anılan bu denklemlerdençıkarılan en önemli sonuçlardan biri ışığında bir elektromanyetik dalga olduğunun anlaşılmasıoldu. Elektromanyetik kuramın, bugüne kadar geliştirilmişen başarılı kuram olduğu söylenebilir. Klasik mekaniğin aksine 20. yüzyıldaki en önemli bilimsel gelişmeler olan görelilik kuramı ve kuantum mekaniğindensonra bile hiçbir değişikliğe uğramadı. Maxwell denklemleri, kendilerinden 30 yıl sonra geliştirilengörelilik kuramı ile tamamen uyumludur ve kuantum elektrodinamiğinde de aynen kullanılırlar.Elektromanyetik kuram hiçbir manyetik tekkutupiçermeden de çok başarılı olmasına rağmen, bugünpek çok araştırmacı hâlâ manyetik tekkutupların varolduğunu düşünüyor ve onları bulmak için çalışmayadevam ediyor. Bu durumun önemli iki sebebi var.Birincisi elektromanyetik kuram manyetik tek kutuplarınvar olduğu varsayılarak yeniden kurulduğu zaman,Maxwell denklemleri simetrik hale geliyor veçözümleri hayli kolaylaşıyor. İkincisi ise manyetiktekkutupların varlığının elektrik yükleri ile ilgili henüzçözülememiş bir problemin cevabı olduğunundüşünülmesi. Bu problem elektrik yüklerinin nedenkuantize olduğu ile ilgili. Bilindiği gibi doğada gözlemlenentüm elektrik yüklerinin değerleri, bir elektron yükün tam katları. Bu durumun sebebi bilinmiyor,ancak Dirac 1931’de manyetik tekkutupların varlığının,elektrik yüklerinin neden kuantize olduğunu(neden herhangi bir değer alamadığını) açıklayabileceğinigösterdi. Dalga fonksiyonlarının fazlarınıngözlemlenememesi konusunu ele alan Dirac, manyetiktekkutuplar gibi davranan tekilliklerin kuantummekaniğine göre mümkün olduğunu buldu. Sonuçlarelektrik ve manyetik yüklerin değerlerinin çarpımının kuantize olması gerektiğini gösteriyordu: g temelmanyetik yük, e temel elektrik yükü, h Planck sabitive c ışık hızı olmak üzere ge= hc/4π. Bu durum“tüm evrende” tek bir manyetik yükün bile var olmasının,elektrik yüklerinin kuantize olmasını açıklamaya yeteceğini ve temel manyetik yükün g=68,5eolduğunu gösteriyor. Dirac makalesini “doğa bundanyararlanmadıysa şaşarım” diye bitirmişti, ancak uzun çabalar sonucunda hâlâ manyetik tekkutupların gözlemlenememesi üzerine kendisi de manyetik tekkutuplarınolmadığını düşünmeye başladı. Fakat başkakuramsal ve deneysel fizikçiler manyetik tekkutuplarüzerine çalışmaya devam etti. Schwinger, manyetiktekkutuplar ve dionlar (hem manyetik hem de elektrik yükü olan noktasal parçacıklar) içeren alankuramları oluşturmaya çalıştıysa da başarısız oldu.

 

Bu durum başlangıçta umutsuzluğa neden olduysada Abelyen olmayan ayar kuramlarının manyetiktekkutuplar içeren çözümleri de olduğunun anlaşılmasıylaaraştırmalar ivme kazandı. Büyük birleşikkuramların (elektromanyetik, güçlü ve zayıf etkileşimleribirleştiren kuramların) geliştirilmesiyle, budurumun evrenin ilk zamanlarında manyetik tekkutuplarınoluşmuş olması gerektiğine işaret ettiği anlaşıldı.Eğer bu doğruysa kozmik ışınlar içinde manyetiktekkutuplar da olmalıdır. 1960’ların sonlarındanbaşlayarak hem manyetik tekkutuplar içeren kuramlaroluşturmak hem de manyetik tekkutuplarıgözlemleyebilmek için pek çok çalışma yapıldı. Kuramsalaraştırmaların kısmen de olsa başarılı olduğusöylenebilir, ancak bugüne kadar manyetik bir tekkutupne laboratuvar ortamında ne de kozmik ışınlardagözlemlendi. Ancak bazı araştırmacılar manyetiktekkutuplar gibi davranan malzemeler üretmeyibaşardı. Gelişmiş yöntemler kullanılarak malzemeleriniçinde kurulan yapılar “noktasal” olmadıklarıiçin gerçek anlamda manyetik tekkutup değiller,ancak çevrelerinde noktasal manyetik yüklere benzerbiçimde manyetik alanlar oluşturuyorlar.

Manyetik Tekkutup Araştırmaları

manyetizma2Maxwell denklemlerine göre tüm elektrik vemanyetik alanların kaynağı, elektrik yükleri ve buelektrik yüklerinin hareketidir. Özetle:• elektrik yükleri çevrelerinde elektrik alan oluşturur• elektrik yüklerinin hareketi manyetik alan oluşturur• değişen elektrik alanlar manyetik alan üretir• değişen manyetik alanlar elektrik alan üretirEğer bir manyetik tekkutup varsa, bu Maxwelldenklemlerinin iki şekilde değiştirilmesinesebep olacaktır:• manyetik tekkutuplar çevrelerinde manyetik alanoluşturacaktır• manyetik yüklerin hareketi elektrik alanoluşturacaktırAyrıca en küçük kütleli manyetik yük kararlı olacakve manyetik yük korunacaktır.Yıllardır pek çok deneyci manyetik tekkutuplarınvarlığını ispatlamaya çalışıyor. Bu araştırmalar doğrudanve dolaylı araştırmalar olarak ikiye ayrılabilir.Doğrudan araştırmalar manyetik tekkutupların varlığınınsebep olduğu değişiklikleri, dolaylı araştırmalarise gerçekleşen fiziksel süreçlerin ara basamaklarısırasında oluşabilecek sanal manyetik yüklerin sebepolduğu değişiklikleri gözlemlemeye çalışır.Doğrudan gözlem yöntemlerinden biri ferromanyetikmalzemelerin içinde hapsolmuş manyetik tekkutuplarıbulmaya çalışmak. Ancak bu yöntemin başarılıolma ihtimali düşük. Çünkü bir manyetik tekkutbunkristal yapıdaki bir katıya bağlanması için keV(kilo elektron volt) ölçeğinde enerji gerekli, ancak birmanyetik tekkutbun atom ölçeğinde mesafe kat ederekedineceği enerji ise sadece eV’ler ölçeğinde.Bugüne kadar yüzlerce kilogram malzeme kullanılmasınarağmen manyetik bir tekkutbun varlığınadair herhangi bir veri elde edilemedi. Sonuçlar manyetikbir tekkutup varsa bile (manyetik yük parçacığı)/(çekirdek parçacığı) oranının 10-29’dan küçük olduğunugösteriyor.Manyetik tekkutup gözlemlemek için kullanılanbir diğer yöntem süperiletken detektörlerin içindengeçen manyetik tekkutupları belirlemek. Eğer bir süperiletkenhalkanın içinden manyetik bir tekkutupgeçerse, manyetik akıda yaşanacak değişiklik sonucundabir elektrik alan oluşacak ve süperiletkendenakım geçmeye başlayacaktır. Süperiletkenlerin elektrikseldirenci sıfır olduğu için bu akımın şiddeti büyükolacaktır. Noktasal manyetik tekkutuplara benzerbiçimde manyetik alanlar oluşturan bobinlerile yapılan deneyler, kuramsal hesaplarla büyük biruyum içinde. Bu durum bugüne kadar hiçbir olumluveri elde edilememesine rağmen bu yöntemin başarılıolabileceğini gösteriyor.

Sentetik Manyetik Tekkutuplar

200132601-001Bugüne kadar noktasal manyetik yükler gözlemlenememişolsa da araştırmacılar noktasal manyetikyükler gibi çevrelerinde manyetik alan oluşturanmalzemeler üretmeyi başardı. Bu bağlamda öne çıkaniki çalışmadan bahsedilebilir. Birincisi Oxford Üniversitesi, Princeton Üniversitesi ve Max PlanckKarmaşık Sistemler Fiziği Enstitüsü’nden bir grup araştırmacı tarafından “spin buzları” kullanılarak yapılanbir araştırma. Spin buzları, temel enerji seviyesiçoklu yapıda olduğu için sıcaklık 0 K’e yaklaşırkenentropinin sıfıra yakınsamadığı malzemelerin bir örneğidir.Bu isimle adlandırılmalarının nedeni malzemedekiatomların spinlerinin yönelimlerinin buzunkristal yapısına benzer biçimde düzenlenmesidir.Normalde bu malzemeler temel enerji seviyesindeyken,her bir kristal hücresinin içine doğru yönelmişiki spin ve kristal hücresinden dışarıya doğru yönelmişiki spin vardır. Eğer her bir spin bir çift noktasalmanyetik yükten oluşmuş gibi düşünülürse, temelenerji seviyesindeki bir kristaldeki tüm yerlerin manyetikyükünün sıfır olduğu söylenebilir. Ancak malzemeuyarılarak dört spinden herhangi birinin yönütersine çevrildiği zaman, manyetik tekkutuplara benzeyenyapılar oluşur. Dr. C. Castelnovo ve çalışma arkadaşlarınınDy2TiO7 ve Ho2Ti2O7 kullanarak yaptığıdeneyler, malzemeler içinde oluşturulan yapılarınmanyetik Coulomb etkileşimi gösterdiğini ve manyetikyükler gibi elektromotor kuvvet ürettiklerini gösterdi.Ancak kristal yapı içinde manyetik tekkutuplargibi davranan atom büyüklüğündeki bu yapılar, kristalyapıdan ayrıştırılıp tek tek incelenemiyor.Sentetik manyetik tekkutuplar üzerine başka birçalışma yakın zamanda ABD’li ve Finlandiyalı birgrup araştırmacı tarafından yapıldı. Çalışma dahaönce Helsinki Teknoloji Üniversitesinde çalışan V.Pietila ve M. Möttönene adlı araştırmacıların yaptığıkuramsal hesaplara dayanıyor. 2009’da Physical ReviewLetters’da yayımlanan makalede ileri sürülen yöntem,Bose-Einstein yoğuşmasına uğramış ve spini 1olan parçacıklar kullanılarak manyetik tekkutuplarüretilebileceğini öne sürüyordu. Böyle bir sistem, haricimanyetik alanların yokluğunda, biri ferromanyetikdiğeri antiferromanyetik iki fazda bulunabilir.Ancak yeteri kadar güçlü harici manyetik alanlar uygulandığındasistemin spini manyetik alan yönündehizalanır. Araştırmacılar, böyle bir sistemde haricimanyetik alanın ayarlanmasıyla -noktasal manyetikyükler gibi- çevresinde manyetik alan oluşturanyapıların elde edilebileceğini kuramsal olarak gösterdi.Kısa bir süre önce bu yöntemi 87Rb atomlarınınoluşturduğu Bose-Einstein yoğuşuğu üzerinde sınayanaraştırmacılar, kuramsal hesaplarla uyumlu sonuçlarelde etti. Yoğuşuğun yoğunluğunun görüntüleri,Dirac tarafından geliştirilen kuramdakilere benzeyensentetik manyetik yükler oluştuğunu gösteriyor.Ancak çalışma sırasında uyarılmış durumdakiRb atomları kullanıldığı için, oluşturulan yapılarınne kadar kararlı olduğunu belirlemek amacıyla bozunmahızının da ölçülmesi gerekiyor. Elde edilenmanyetik tekkutup benzeri yapıların gelecekte dahaönce incelenememiş pek çok olgunun araştırılmasındayararlı olacağı düşünülüyor.