MAGNETİK KUVVET
Yüklü parçacıkların devinimlerinin etkisiyle ortaya çıkan çekme ya da itme kuvvetidir.Elektrik motorlarının çalışması magnetik kuvvetlerin varlığına dayanır, mıknatısın demiri çekmesi de magnetik kuvvetin sonucudur.Durağan elektrik yükleri arasında elektriksel kuvvetler oluşur; hareketli elektrik yükleri arasında ise hem elektriksel, hemde magnetik kuvvetler ortaya çıkar.Hareketli iki elektrik yükü arasında etki gösteren magnetik kuvvet bunlardan birinin oluşturduğu magnetik alanın öbürü üzerindeki etkisi olarak tanımlanabilir.
Bu görüş açısından, hareketli ve elektriksel olarak yüklü iki parçacıktan ikincisine etkiyen magnetik kuvvet (F), bu parçacığın elektrik yükü (q2), hızının büyüklüğü (V2), birinci parçacığın oluşturduğu magnetik alanın şiddeti (B1) ve ikinci parçacığın hareket doğrultusu ile bu magnetik alanın doğrultusu arasındaki açının sinüsü ile orantılıdır.İkinci parçacığın hareketi alan doğrultusunda ise magnetik kuvvet sıfırdır; hareket alan doğrultusuna dik ise kuvvet de en büyük değerini alır.
Hareketli yüke etkiyen magnetik kuvvet, bu yükün hız vektörü ile yük çevresindeki magnetik alan vektörünün belirlediği düzleme dik doğrultudadır.
MAGNETİKLİK
Mıknatıs taşı (Latince magnes) denizcilerin yeni dünyalar keşfetmesine yardımcı oldu; ama denizciler şaşırtıcı sırlarını uzun yıllar bilim adamlarından sakladılar.Bir mıknatısın daha küçük mıknatıslardan oluştuğunu gösteren “kırık mıknatıs” adı verilen deney 1269 yılında yapılmışsa da, manyetikliğin yapısı konusunda ilk belirtiler, 1820 yılında Oersted’ın elektrik akımının mıknatıslı bir iğneyi saptırma özelliğini gözlemesiyle ortaya çıktı.Bu saptamadan sonra manyetikliğin akımlarla ilişkisi olduğu, Dünya, Güneş ve Gökadamız ölçeğinde manyetik alanların akımlardan kaynaklandığı anlaşıldı.Ne var ki, bir mıknatısta bu akımları gözlemlemek mümkün değildir; şu halde mikroskopik bir yapıları olması gerekir.
Önce bu akımlar elektronların çekirdek çevresinde, sonra kendi çevrelerinde dönmesine (“spin”) bağlandı; ancak atomun bu gezegen biçimindeki görünümü daha sonra düzeltildi: parçacıklar da minik mıknatıslar gibi davranıyordu.İşte bunların manyetik özelliklerinden dolayıdır ki, NMR (nükleer manyetik rezonans) ile görüntüleme tekniğinde yararlanılan protonlar dokularımızın sağlığı hakkında bize bilgi verir ve elektronlar Güneş’in veya çok uzaklardaki pulsarların manyetik alanlarını ölçmemizi sağlar.
Bizim ölçeğimizde bir malzemenin mıknatıslanması, parçacık düzeyindeki bu küçük mıknatısların bir dış manyetik alanın etkisi altında (kısmen) doğrusal dizilimiyle açıklanır.Ama ana bileşeni demir, kobalt veya nikel olan bazı alaşımlar, en azından sıcaklık belirli bir “kritik” değeri aşmadıkça kendiliğinden mıknatıslanma özelliği gösterir.Olayın kesin açıklaması, kuvantum fiziğine ve faz geçişleri kuramına (hal değişimleri) dayanır.Kritik sıcaklık dolayında mıknatıslanmadaki önemli dalgalanmalar gibi olaylar, tam olarak ancak 20 yıl kadar önce, yani yapılan ilk deneylerden 700 yıl kadar sonra anlaşıldı.Manyetik şeritlerden bilgisayar belleklerine ve iletişim sistemleri bileşenlerinden soğutma tekniklerine kadar pratik uygulamalarsa bu kadar uzun zaman beklemedi.
MANYETİK ALAN
Bir cismin mıknatıslanmasına birçok mekanizma katkıda bulunur.Bir atoma manyetik bir alan uygulandığında indüklenen elektrik alanı elektronların yörünge hareketlerini değiştirir.Bu olay alana ters bir mıknatıslanmayla ortaya çıkar: buna diyamanyetiklik denir.Paramanyetiklik atomları önceden bir manyetik momente sahip olan cisimlerde bulunur, bu cisimlerde manyetik momentin varlığı, çiftleşmemiş elektronların varlığıyla açıklanır.Alan bu momentleri kendi doğrultusuna sokmaya çalışı, ama indüklenmiş alan termik (ısıl) çalkalanma etkileri nedeniyle engellenir ve bu engellenme sıcaklık yükseldikçe, güçlenir.Sıcaklığın bu etkisinden yararlanılmaktadır: daha önce iyi “sıralanmış” bir malzeme üzerindeki alan kaldırılırsa, manyetik enerji azalmasına sıcaklığın düşmesi eşlik eder.Bu “çekirdek mıknatıslığını giderme olayı” mutlak sıfıra yaklaşma imkanı verir.
Tamamen kuvantum kaynaklı üçüncü bir etki, bir doş alan olmasa bile bir manyetik alanın oluşturabileceğini ortaya çıkardı.İyonlarla (manyetik) serbest elektronlar bir arada bulunursa, bu ortamda elktronlar komşu iyonlar arasında önemli bir eşleme oluşturur; bu eşlemenin enerjisi momentlerin nispi yönelimine bağlıdır.Eşlemenin işaretine göre, tam bir sıralanma (ferromenyetiklik) veya almaşık bir sıralanma için (antiferromenyetiklik) en düşük enerji elde edilir.İki tür iyonun varlığından kaynaklanan bir ara durum ferritlerde görülür.Sıcaklık arttığında ferromanyetik bir cisimde mıknatıslanma azalır, hatta kritik bir sıcaklıkta sıfırlanır. Bu durumda düzenli bir fazın düzensiz bir faza kesiksiz geçişi söz konusudur.İşte bu yüzden kızıl dereceye kadar ısıtılan bir mıknatıs, çekim özelliklerini kaybeder; tam tersine, okyanus diplerinden çıkan lavlar soğuduğu sırada geçmişin manyetik alanlarını belleğinde saklayarak mıknatıslanır.En eski “izler” 200 milyon yıl öncesine iner.Niçin her tür alandan yalıtılan bir demir parçası az mıknatıslanır?X ışınlarıyla yapılan bir inceleme, kendiliğinden mıknatıslanmanın çok küçük alanlarda, ama farklı yönelimler içinde oluştuğunu gösterir; söz konusu alanların ortalaması sıfır değerinii verir.Alanların yakınında momentlerin sıralanmamasından kaynaklanan enerji fazlalığı, mıknatıs içinde alan çizgilerinin hapsolması sonucunda dengelenir.Bir demir parçasına alan uygulandığında, alana paralel mıknatıslanma önce tersinir, sonra tersinmez bir biçimde büyür; bu olay çeperlerin kristal kusurlarını aşmasından veya başka alanların yönelim dengesini bozmasından ileri gelir.Kuvvetli bir alanda hemen hemen genelleşen sıralanma, mıknatıslanmanın doygunluğa girmesine yol açar.B alanı değiştirildiğinde M mıknatıslanması bunu ancak belirli bir gecikmeyle izler ve bu bakımdan B’nin belirli bir değeri için M aynı değerleri almaz.Mıknatıslanmanın alana göre değişimini inceleyen bir diyagramda mıknatıslanma “histerezis çevrimini” oluşturur; bu eğrinin alanın ölçümü ısıl kayıplarının değerini verir.
MADDELERİN BAĞIL MANYETİK GEÇİRGENLİKLERİ
1-Ferromanyetik Madde: Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1 den çok büyük olan maddelerdir.Böyle maddeler manyetik alana konursa mıknatıslanırlar ve bölgedeki manyetik alan şiddetini alırlar.Kobalt, nikel, demir gibi maddeler ferromanyetik maddedir.
2-Paramanyetik Madde: Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1 den biraz büyük olan maddelerdir.Bunlar manyetik alana konursa çok az mıknatıslanırlar ve bulundukları bölgede alan şiddetini biraz arttırırlar.Alüminyum, manganez gibi maddeler paramanyetik maddedir.
3-Diyamanyetik Madde: Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1 den biraz küçük olan maddelerdir.Bunlar manyetik alana konulduklarında alana zıt yönde ve zayıf olarak mıknatıslanırlar.Bulundukları bölgedeki magnetik alan şiddetini azaltırlar.Bakır, gümüş, bizmut ve karbon gibi maddeler diyamanyetik maddelerdir.
MIKNATISLANMANIN SIRLARI
Demir ile çelik ferromanyetik malzemelerdir.Manyetik momentler bu malzemelerin içinde raslantısal bir yönelime göre küçük bölgeler halinde sıralanır.Bir dış alan uygulandığında, her bölge momentini alanla aynı sıraya sokma eğilimi gösterir.Bölgelerin çeperleri az çok tersinir bir şekilde yer değiştirir; bu olgu almaşık menyetik alanların için her bölgenin farklı değerler aldığı bir mıknatıslanma biçiminde ortaya çıkar.Histerezis çevrimi de bu durumu temsil eder ve uygulanan alan göre mıknatıslanmanın değşimlerini gösterir.Dar çevrim “yumuşak” bir malzemede görülür.Bir mıknatıs veya bilgisayar belleği için “sert” malzeme (geniş çevrim) kullanılır; bu malzemeler büyük alan değişimleri halinde sabit mıknatıslanma gösterir. Ferromanyetik maddeler alan çizgilerini belirli bir yöne sevk etme eğilimdedir.Bu olay elektromıknatıslarda veya teyp okuyucu (veya kaydedici) kafalarda kullanılmaktadır.Çekirdek aralığındaki (devrenin açıklığı) akım şiddetiyle devreyi çevreleyen bobin içindeki akım şiddeti doğru orantılıdır.Böylece, çekirdek aralığı önünden geçen manyetik bandın parçacıklarını akımın şiddeti değiştirilerek az çok yönlendirmek mümkün olur.
AKIMLAR VE MANYETİK ALANLAR
Elektrik akımının yarattığı manyetik alan, demir tozuyla ortaya çıkabilir; demir tozu mıknatıslanır ve alana doğru yönlenir.Benzer şekilde, pusulanın iğnesi Dünya’nın çekirdeğinin sıvı kısmında dolaşan akımların doğurduğu Dünya alanı içinde yönlenir. Hall sondası veya SQUİD’ler gibi daha modern algılayıcılar çok küçük alanları büyük bir duyarlıkla ölçer.Nitekim, “manyetokardiyografi” tekniğiyle ölçülen insan kalbinin manyetik alanı 10 üzeri eksi (-) 10 tesladır, yani Dünya alanının (10 üzeri eksi (-) 4 tesla), milyonda biridir.
ELEKTRİK AKIMININ MAGNETİK ALANI
İçinden akım geçen bir telin yakınına getirilen bir pusula sapar.Pusula iğnesi bir mıknatıs olduğundan daima çevresindeki magnetik alanla aynı doğrultuda durur.Akım taşıyan telin yakınında pusulanın yeni bir doğrultuya yönelmesi, orada yerin magnetik alanından başka bir magnetik alanın bulunduğunu ve pusulanın bu iki magnetik alanın bileşkesi doğrultusuna geldiğini gösterir.
Akım, hareket eden yükler olduğuna göre, bu deneyden, hareket eden yüklerin magnetik alan meyadana getirdiğini anlarız.
Aslında, akım magnetik alan meydana getirdiği gibi, değişen bir magnetik alan da akım meydana getirir.Magnetik alanın doğurduğu akıma indüksiyon akımı denir.
Magnetik alan bir vektör olduğundan her vektör gibi onunda yönü, şiddeti ve birimi vardır.Magnetik alanın yönü ve şiddeti, tel, halka ve bobin (solenoid) için ayrı ayrı incelenecektir.
Düz Bir Telden Geçen Akımın Yönünü Bulmak İçin;
1-Sağ elinizin başparmağı akım yönünü gösterecek şekilde teli avucunuzun içine alınız.
2-Diğer parmakları 90’ bükerek, alanı sorulan noktanın üzerine koyduğunuz takdirde
parmaklar alan yönünü gösterecektir.
YERİN MANYETİK ALANI
Herhangi bir yerde ortasından iple asılan mıknatıs iğnesinin belli bir doğrultuyu alması mıknatıs iğnesine bir manyetik alanın etkidiğini gösterir.Bu alan Yer’in manyetik alanıdır.Yer’in manyetik alanı, Yer’in dönme ekseniyle yaklaşık 15’ lik açı yapacak şekilde konmuş çubuk mıknatısın manyetik alanı gibidir.
Bu nedenle bir pusula iğnesi Yer üzerinde pek çok yerde coğrafi kuzey kutbu göstermez.
Yatay bir pusula iğnesi ile coğrafi kuzey güney doğrultusu arasında bir açı vardır.Bu açıya sapma açısı denir.
Dünya’nın manyetik alanı her ne kadar içine yerleştirilmiş dev bir mıknatıs ile temsil edilebilir gibi görünse de böyle bir şeyin gerçek olması mümkün görünmemektedir.
Dünya’mız çekirdek kısmında büyük demir rezervlerine sahiptir.Fakat çok yüksek sıcaklıklar kalıcı mıknatıslığın oluşmasını engeller.
Günümüzde Yer’in manyetik alanının varoluş nedenini tutarlı biçimde açıklayan bir teori yoktur.Dünya’nın iç kısmındaki iletken sıvı tabakalarda oluşan dairesel akımlardan, Dünya manyetik alanının kaynaklandığı düşünülmektedir.
Yatay ve düşey eksen etrafında dönebilen mıknatıs orta noktasından asıldığında eğilir. Bu eğilme kusey yarım kürede kuseyi gösteren manyetik N kutbu, güney yarım kürede ise güneyi gösteren manyetik S kutbu yere yakın olacak şekildedir.
Mıknatıs iğnesinin yatay düzlemde yaptığı açıya eğilme açısı denir.Eğilme açısının değeri manyetik kutuplara doğru gidildikçe artar ve kutuplarda 90’ olur.
MAGNETİK KUTUP
Bir mıknatıs çubuğunun her iki ucunda yer alan dış magnetik alanın en güçlü olduğu bölümdür.Yer’in magnetik alanı içine serbestçe yerleştirilen bir mıknatıs çubuğu, kuzey-güney doğrultusunda yönlenir.Çubuğun kuzeye bakan ucuna kuzey magnetik kutbu, güneye bakan ucuna ise güney magnetik kutbu denir.İki mıknatısın benzer kutupları birbirini iter, farklı kutupları kutupları ise birbirini çeker.
Uzun bir mıknatıs çubuğunun her iki kutbu arasındaki magnetik kuvvet, daha 1750’de bir ters kare yasasıyla tanımlanmıştır.Örneğin, eğer iki kutup arasındaki uzaklık iki katına çıkarılırsa, magnetik kuvvet bir önceki değerinin dörtte birine düşer.
Mıknatıs çubuğunun ikiye kırılmasıyla kuzey ve güney kutupları birbirinden ayrılmaz. Her iki yarım parça da kendi kuzey ve güney kutuplarına sahip olur.Elektron ve proton gibi gerçek kesikli (ayrık) elektrik yüklerinin neden olduğu elektrik kuvvetlerinin tersine, magnetik kuvvetleri, ancak elektron mikroskopu altında görülebilecek boyutlardaki çok küçük magnetik kutuplara kadar izleyebilmek olanaklı değildir. Aslında, magnetik kuvvetler detemel olarak hareket halindeki yüklü parçacıklarınarasında ortaya çıkar.
Magnetik Kutupların Yer Değiştirmesi
Yer’in magnetik kutuplarının konumunun jeolojik çağlar boyunca değişmesidir.Çoğu kayaçtaki mıknatıslanma doğrultusunun, bugünkü jeomagnetik alan doğrultusunda olmadığı çok önceleri saptanmıştı.Bu önceleri çok değişik etmenlere bağlanıyordu, ama 1950’lerde elde edilen paleomagnetik veriler, magnetik kutupların Yer yüzeyinde sistemli bir biçimde yer değiştirmiş olduğunu açığa çıkardı.Yapılan araştırmalar, 20 milyon yıldan daha genç kayaçlardaki kutuplanma doğrultularının, bugünkü kutup konumlarıyla uyum içinde olduğunu açığa çıkarmıştır; ama 30 milyon yıl geriye gidildiğinde, mıknatıslanmanın bugünkü jeomagnetik alan doğrultularından belirgin biçimde farklı olduğu görülmektedir.
Eğer kıtaların konumu sabit kalmış olsaydı, yer değiştiren kutupların izlediği yolun, yerkürenin her tarafı için aynı olması gerekirdi.Ne var ki farklı kıtalarda yer değiştirme eğrilerinin de farklı olması, kıtaların kaymış olduğuna işaret etmektedir.Kutup konum eğrilerinin giderek bugünkü kutup konumuna yaklaşması, kıta bloklarının jeolojik çağlar içinde birbirlerine göre hareket ederek bugünkü konumlarına ulaştıklarını göstermektedir.
MAGNETİK REZONANS
Elektrik akımının, ısıl göç olmadan iletilmesiyle ortaya çıkan, yeni bir madde türüne,akımı iyi ileten metallerden daha mükemmel olması nedeniyle Süperiletken denilmektedir.
Süperiletken maddelerde entropi göçünün olmaması nedeniyle, ısıl kayıp olmaksızın , elektrik akımının iletilebilmesi, ileri teknolojik uygulamalarla, yeni bir çağ başlatacak kadar güçlü bir potansiyele neden olmaktadır. Zira,örneğin,dünyamızın magnetik alanının(10-5 T) yaklaşık milyarda biri mertebesinde küçük magnetik alanların ölçümü, ancak çeşitli süperiletken üniteler içeren aygıtlarla gerçekleşebilmektedir. Bu noktada, hemen akla, süperiletken teknolojisinin tıpta teşhiste en yaygın olarak kullanım alanı olan, Magnetik Rezonans Görüntüleme (MRG) ve Magnetik Rezonans Spektroskopi (MRS) teknikleri geliyor.Zira yukarıda sözedilen,10-14 T mertebesindeki zayıf magnetik alanların nerede üretildiği ve bunların hangi hassas aygıt ile ölçülebildiği merak konusu olacaktı.
1980'lerde hemen hemen hiç sözedilmeyen MRG tekniği ,günümüzde yaygın biçimde, canlıya zarar vermeden ameliyat gibi işlemlere gereksinim olmaksızın ;örneğin ,çeşitli tümör oluşumlarını, kemiklerdeki hasarı tespit etmekte yaygın olarak kullanılmaktadır. Bundan da öte ,örneğin,insan beyninde çok çeşitli nedenlerden ötürü oluşan,morfolojik ve metabolik değişimleri tam ve güvenilir şekilde belirleyen,sırasıyla MRG VE MRS teknikleri, süperiletkenlerin tıptaki önemli uygulama alanları haline gelmiştir.
Beyindeki biyomagnetik aktiviteyi ölçmek için,yıllardan beri geleneksel olarak kullanılan Magnetoansefalografi'yi(MEG) ve daha hassas ölçümler için (MRG) ve(MRS) tekniklerini bir tür eletronik sihirbaz haline getiren unite, ''SQUID'' denilen süperiletken kuantum girişim aygıtıdır.(Superconducting Quantum Interference Device) esas olarak birden fazla süperiletken -yalıtkan-süperiletken bitişimin ,yani ''Josephson Junction''nın paralel bağlamasıyla oluşur. SQUID yardımıyla femto tesla'dan(10-15T)daha küçük magnetik alan değişikleri, invivo yöntemle,en güvenilir biçimde anlaşılabilmektedir. Bunun nedeni ,söz konusu cihazın ölçüm sonuçlarının,elektron yükü ,Planck sabiti ve ışık hızı gibi temel sabitler cinsinden, kesin ve aracısız olarak elde edilebilmesidir. Örneğin, tanıdık bir yüz görüldüğünde beyinde oluşan metabolik aktivite ile tanınmayan obje karşısındaki respons(cevap)arasındaki enerji farkı yaklaşık 10-32 Joule mertebesindedir. Böylesine farkedilmesi zor değişimler,bugüne kadar bilinen hiç bir aletle güvenilir biçimde tespit edilemeyecek kadar küçük ve/veya çeşitli elektronik gürültüler mertebesindedir. Ancak ,SQUID ,kaynağı ne olursa olsun (enzim salgısındaki değişim,nörolojik,travmatik vb.kökenli) canlı metabolizmasındaki her tür devinimi,çok küçük magnetik alan değişimi oluştursa bile kolayca tespit edebilir. Bu nedenle MR, canlıya zararsız olduğu gibi,doğadaki temel büyüklükler mertebesinde ölçüm yapabildiği için kesin ve güvenilir olmaktadır.
Özellikle son beş yıldan beri , Proton Magnetik Rezonans Spektroskopisi (P-MRS) ile bu tür ölçmeler en hassas ve güvenilir biçimde gerçekleşmektedir.Bu cihazların bir tür elektronik sihirbaz olmalarının nedeni,düzgün (uniform) ve yüksek magnetik alan sağlayan süperiletken magnet ve SQUID'le donatılmış olmasındandır.
MR cihazlarında kullanılan pick up coil denilen sinyal alıcıları için yaygın olarak ,alçak sıcaklık süperiletkenleri (LTC) kullanılmasına rağmen, yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin (HTC) keşfinden sonra,günümüzde kullanımları sayesinde, algılama duyarlılığının fevkalade artması sağlanmıştır.Zira bu sinyal alıcılarının ,sıvı helyum sıcaklığı (4.2K) yerine, sıvı azot sıcaklığında (77K) çalışabilmesi, kullanılan kriyostanın duvar kalınlığının oldukça incelmesine yol açarak insan'a fiziksel olarak daha yakın biçimde ölçüm yapılmasını sağlar.Böylece, yüksek sıcaklık süperiletkenlerinin kullanımı, elde edilen verilerin hassasiyet ve seçiciliğinin artmasına yardım etmektedir.
Normal halden süperiletken hale geçiş sıcaklığı olarak tarif edilen kritik sıcaklığı Tc, 20 Kelvin'den büyük olan maddeler (HTC) olarak adlandırılır.
1986'larda Bertnoz ve Müller tarafından metal oksitleriyle ilk kez sentezlenen (HTC)
Süperiletkenler,daha sonra birçok araştırmacı tarafından geliştirilip değiştirilerek
çalışılmıştır.Günümüzde normal atmosfer basıncında ulaşılan en yüksek kritik sıcaklık, civa içeren, bakır oksit süperiletkenleri için Tc=138 K 'dir.
Son olarak, MRS tekniği ile yapılan en güncel uygulamalara birkaç örnek vermek gerekirse;günümüzde proton-MR spektroskopisinin klinik uygulama alanları artmış,bu bağlamda beyindeki en önemli metabolitlerden ,N-asetil aspartat(NAA), Keratin(Cr), Kolin(Cho), Laktat ve diğerlerinden alınan sinyaller,uygun spektroskopi teknikleriyle kaydedilebilir hale gelmiştir.
Örneğin;beyin zarında, baş ve boyunda oluşan tümörlerin, HIVenfeksiyonunun,radyasyon hasarlarının erken tespitinde süratle kullanılmaktadır. Ayrıca , Alzheimer,Parkinson hastalıklarının ,çocuklarda dejeneratif beyin kusurlarının erken tanısı ,serebral iskemi, lityum gibi pisikoaktif ilaçların ölçülmesi ve diğerleri sayılabilir.
