Manyetizma öyle bir doğal kuvvet ki uzayda yüzen bir kayanın üzerinde yaşamamızı sağlamakla kalmıyor, insan ırkını sürekli ilerleten büyük teknolojik gelişmelere de imza atmamızı sağlıyor. Bilgisayarlarımız manyetizmaya dayanıyor, Dünya'daki yaşamımız manyetizmanın ilkelerine bağlı ve en büyük bilimsel deneylerde insanlığın yaptığı en güçlü mıknatısları kullanıyoruz. Manyetizma olmasaydı biz de olamazdık. Doğanın bu temel kuvveti keşfedilmemiş olsaydı Dünya'daki yaşamımız bugünküne hiç benzemeyecekti.

Yıllar içinde bilim insanları manyetizmayı yenilikçi şekillerde kullanarak parçacık fiziğinin daha önce keşfedilmemiş alanlarına girdiler ama önce basit mıknatısların nasıl yapıldığına bir bakalım. Nesnelerin mıknatıslanabileceğini hemen hemen herkes bilir. Bu sayede nesnelerin diğer manyetik nesnelere yapışması sağlanabilir. Buzdolabı mıknatısı ve U mıknatıs (at nalı mıknatıs) gibi nesnelerin her zaman manyetizmaya sahip olduğunu biliyoruz. Bunlar gibi kalıcı mıknatıslar yapmak için manyetit veya neodim gibi maddeler eritilip alaşım hâline getirilir, sonra öğütülüp toz yapılır. Bu toz yüzlerce kilogram basınç altında sıkıştırılarak her şekle sokulabilir. Sonra içinden kısa bir süre boyunca büyük bir elektrik dalgası geçirilerek kalıcı olarak mıknatıslanması sağlanır. Tipik olarak, kalıcı mıknatıslar, güçlü bir manyetik kuvvete veya elektrik kuvvetine maruz kalmadığı sürece veya düşük bir sıcaklıkta tutulmadığı sürece on yılda bir manyetizmasının yaklaşık %1'ini kaybeder. Her şey gibi varlıklarını sonsuza dek sürdüremeseler de on yılda güçlerinin sadece %1’ini kaybetmesi onlara uzun bir ömür sağlayabilir.

Her mıknatısın çevresinde "manyetik alan" denilen mıknatıslanmış bir alan vardır. Bu manyetik alan, etkisi altına giren nesneler üzerinde pozitif veya negatif bir kuvvet uygular. Ayrıca her mıknatısın kuzey kutbu ve güney kutupları olmak üzere iki kutbu vardır. Aynı kutuplar birbirini iterken zıt kutuplar birbirini çeker. Mıknatısın içinde ve dışında "manyetik alan çizgileri" denilen, mıknatısın içinde ve etrafında kuzey kutbundan güney kutbuna doğru ilerleyen kapalı döngüler vardır. Bu çizgiler birbirine ne kadar yakınsa manyetik alan o kadar güçlü olur. Zıt kutuplar işte bu yüzden birbirini çeker: Manyetik kuvvetler aynı yönde hareket ettiği için, bir mıknatısın güneyinden çıkan alan çizgileri diğer mıknatısın kuzeyine doğru kolay bir rota izler ve daha büyük bir mıknatıs oluşturur. Benzer kutuplar ise birbirini iter çünkü kuvvetler zıt yönlerde hareket eder, birbirlerine çarpar ve birbirini uzaklaştırır. Bu etkiyi başka kuvvetlerde de görebilirsiniz. Örneğin bir döner kapıyı iterken başka birisi de karşı taraftan (sizin tersi yönünüzde) iterse kapı hareketsiz kalır çünkü kuvvetleriniz birbirini iter. Ancak ikiniz de aynı yönde iterseniz kapı döner ve sonunda başlangıç noktanıza geri dönersiniz.

Manyetik kutuplar her zaman çiftler hâlinde oluşur. Yani bir çubuk mıknatısı ikiye bölerseniz yeni mıknatısların ikisinde de birer kuzey ve güney kutbu oluşacaktır. Bunun nedeni, her atomun kendi kuzey ve güney kutbuna sahip olması. (Bu konuya birazdan değineceğiz.) Ama kafanızı daha çok kurcalayan soru şu olmalı: Mıknatısın kutupları neden var? Mıknatıslarda neden kuzeyden güneye doğru hareket eden bu alan çizgileri olmak zorunda? Cevap manyetik bölgeciklerde saklı. Mıknatısları, bir araya getirilmiş küçücük mıknatıs parçaları olarak hayal edebilirsiniz. "Bölgecik" denilen her parçanın kendi kuzey ve güney kutbu vardır ve hepsinde manyetik alan çizgileri kuzeyden güneye doğru hareket eder. Böylece tüm bölgecikler birbirine yapışır ve kuvvetleri aynı yönde yoğunlaşır. Bölgecikler birleşerek daha büyük bir mıknatıs oluşturur, yani iki mıknatısın birbirine yapışmasıyla tamamen aynı etkiyi yaratırlar. Her bölgecikte yaklaşık 1.000.000.000.000.000 (bir katrilyon) atom bulunur ve bir toplu iğne başına yaklaşık 6.000 bölgecik sığabilir. Mıknatısların içindeki bölgecikler her zaman aynı hizadadır ama mıknatıslanabilen elementlerin (örn. demir) bölgecikleri, henüz mıknatıslanmamışlarsa rastgele yönlere bakar. Bu bölgecikler, bir manyetik alan veya akım uygulanmadığı sürece birbirlerini sıfırlar. Ancak manyetik alan veya akım, demiri mıknatıslayarak bölgeciklerin aynı yöne bakmalarını sağlar ve böylece yeni bir manyetik alan oluşur.

Mıknatısları daha iyi anlamak içi bu bölgeciklerin içinde neler olup bittiğine bakmalıyız. Bunun için de atomun içine girmek gerekiyor. Örnek olarak demir atomunu ele alalım. Elektronlar atom çekirdeğinin etrafında buluta benzeyen orbitaller (yörüngesel bulut) hâlinde dolanır. Orbitaller ise "kabuklarda" yer alır. İçerdiği proton ve nötron sayısına bağlı olarak her atomun belirli sayıda kabuğu vardır. Her kabukta elektronlar çiftler hâlinde yörüngede dolanır. Elektronlar küçük mıknatıslara benzer: Her elektronun kendi kuzey ve güney kutbu vardır. Elektronlar çiftler hâlindeyken birbirlerini sıfırlar, böylece genel bir manyetik kuvvet oluşmaz. Ancak demir atomunda durum farklı: Demir atomunda eşlenmemiş dört elektron vardır ve bunlar atom üzerinde manyetik kuvvet uygular. Biraz önce açıkladığımız gibi, tüm atomlar bir araya getirilip hizalanırsa demir mıknatıslanır ve diğer manyetik nesneleri çekmeye başlar.

Dünyanın Manyetik Alanı 

Dünyayı 20000 km uzunluğunda bir çubuk gibi hayal edin. Manyetik alanlar etrafımızda hareket eder ama bizi dış uzaydan gelen bir çok tehlikeye karşı korur.  Pusula iğneleri daima mıknatısın güney kutbunu gösterir. İşin doğrusu Dünya'nın coğrafi Kuzey Kutbu aslında manyetik olarak güneydedir. 

Dünyanın manyetik alanı Güneş'ten gelen yüklü parçacıkları saptırır. Bazı parçacıklar radyasyon kuşaklarında hapsolur.

Manyetik alanlar her zaman kuzeyden güneye gider. Yani Kuzey Kutbunu gösteren pusulalar aslında Güney Manyetik Kutbunu gösterir. 

Manyetik Kuzey ile Manyetik Güney arasında bir çizgi çizerseniz Dünya'nın merkezinden değil birkaç yüz kilometre uzağından geçersiniz.  

Dünya'nın manyetik alanının ortasındaki hayali çubuk mıknatıs Dünya eksenine yaklaşık 11° derecelik bir açı yapar. 

Mıknatısı oluşturan küçük parçaların atomlarını inceledik ama acaba daha da derine inebilir miyiz? Kuantum fiziğinin bilinmeyen alanlarına girdikçe bunun cevabı hem evet hem de hayır olacaktır. Manyetizmanın altında yatan ilke, doğada dört temel kuvvet olduğudur. Bunlar kütle çekimi, elektromanyetizma, zayıf kuvvet ve güçlü kuvvettir. Atomlardan ve elektronlardan bile küçük olan kuark ve lepton adlı temel parçacıklar bu kuvvetlerden sorumlu. Kütle çekimi, manyetizma, nükleer bozunma, sürtünme gibi kuvvetler bu temel kuvvetlerden meydana geliyor. Bu seviyede manyetizma, “kuvvet taşıyan parçacık” denilen parçacıklar üzerinde “fırlatılıyor” ve diğer parçacıkları buna göre itiyor ya da çekiyor. Ne yazık ki bu düzeyde manyetizma kuantum fiziği alanına giriyor ve manyetizmanın nasıl işlediğini daha iyi anlayabilmek için kuantum fiziğini daha iyi anlamak gerekiyor. Ne dersiniz galiba tüm bilemediğimiz konuların altından hep kuantum fiziği çıkacak.

Levent Aslan

10 Aralık 2024