NASIL BİR METODLA EKSTRA MANYETİK ENERJİNİN VARLIĞI İSPATLANABİLMİŞTİR VE DENEY SONUÇLARI NELERDİR?

 NASIL BİR METODLA EKSTRA MANYETİK ENERJİNİN VARLIĞI İSPATLANABİLMİŞTİR VE DENEY SONUÇLARI NELERDİR?

Materyal ve Metod

Çalışmamızda hemen her laboratuvarda yapılabilecek kadar basite indirgenmeye çalışılmış bir deney düzeneği ile harcanana karşı üretilen enerji miktarları karşılaştırılarak ve sonrasında kontrol deneyi ile ölçüm baz değerleri teyit edilerek hipotezin kanıtlanması yoluna gidilmiştir.

Ayrıntılara girmeden yaptıklarımızı özetle şöyle anlatabiliriz. Bir anahtar yardımı ile kısa süreliğine büyük bir bobin sargısına akım verdik. Bobin sargısı bu sırada karşısındaki ipin ucunda, sarkaç gibi sallanabilen kalıcı mıknatısı çekmeye başladı ve mıknatıs hızlanıp, bobin sargısına değdikten hemen sonra anahtarı kapatarak akımı kestik. Değme anına kadar harcadığımız elektrik enerjisini ve bobinde ısı nedeniyle kaybedilen enerjiyi ayrı ayrı bir osiloskobun matematiksel işlem foksiyonu yardımı ile ölçtük. Ana bobin sargısı içine yerleştirdiğimiz farklı mini bir bobin sargısından gelen telin devamı şeklinde sabitlediğimiz tele bağlı mıknatıs ön değme yüzeyi ve değme sınırına 1 cm kala yerleştirilmiş anahtar görevini gören gerilmiş iletken tel birbirine değince oluşan pik dalgasının başlangıç zamanını ve bobin sargısına değme anında dalgalarda oluşan yön değişikliğini osiloskopta görüp mıknatısımızın son değme anındaki hızını ve elde ettiğimiz kinetik enerjiyi hesapladık. En sonundada harcanana karşı kazanılan toplam enerjiyi karşılaştırabildik.

Deneyi gerçekleştirebilmek için üzerinde bobin sargısının yerleştirildiği ve neodyum kalıcı mıknatısın bobin sargısı karşısında sarkıtıldığı basit bir stant oluşturduk. 7 cm çapında 5 cm kalınlığında neodyum N52 grade kalıcı mıknatısı yanlarında yapıştırıcı desteği ile orta kısmında ağırlık merkezinden iki taraflı misina ipine tutturup yanda uzanan stant parçası üzerinde rahatça ileri geri gidebileceği dengeli bir sarkaç haline getirip bunu standa bobin sargısını her taraftan ortalayacak şekilde astık. Böylece hareket sırasında sürtünmenin sıfıra yakın olmasını sağladık.

Tel çapı 1 mm olan bobin telinden yaklaşık 10 cm çapında toplam direnç miktarı uçlarındaki bağlantı soketleriyle birlikte 1 ohm olacak şekilde büyük bir bobin sargısı yaptık. Kontrol deneyi ölçümlerinde rahat karşılaştırma yapabilmek ve hata payını azaltmak için kullanacağımız şönt direnç değerini de yine 1 ohm olacak şekilde seçtik. Bobin sargısını tam dik şekilde sarkacın 5 cm ilerisine sabitledik. Bobin sargısına akım verirken elektriksel artefakt ve gürültüleri azaltmak için 12 V\ 9 amper bir Akü kullandık. Deney sırasında deney standını elektriksel gürültü oluşturabilecek kaynaklarından ve metallerden uzak tutma konusunda gerekli önlemleri aldık. Dalgaları incelemek için kullanacağımız osiloskobun kanalların matematiksel(math) çarpım işlemi ile zamana göre oluşturulmuş güç dalgaları üzerinde integral fonksiyonu-alan ölçümü ile enerji hesaplanabileceği özellikte olması gerekliliği nedeniyle Rigol DS1202 marka dijital bir osiloskop kullandık.

Mıknatısın bobin sargısına değme güzergahındaki çizgide, değme noktasının 1 cm öncesine,  her iki tarafta bulunan demir ve benzeri metal içermeyen, sadece sabitleme görevi görecek kalın tel ve benzeri bir malzemeye ince iletken bir teli bobin sargısına paralel ve mıknatısın değerken orta noktasına denk gelecek şekilde gerdik. Aradaki 1 milimetrelik mesafe bile çok önemli olduğundan enini 1 cm olarak ayarladığımız herhangi bir nesneyi araya koyarak germe işlemini bu nesne sınırında yaparak hata payımızı oldukça azaltmaya çalıştık. Bu gerilmiş telin mıknatısın hareketini yavaşlatmaması için telin bir ucunu açılmayacak ve sabitleyici tel üzerinde kayabilecek halka şeklinde geçirerek, diğer ucunu ise hafif zorlandığında açılacak şekilde sabitleyici tele birkaç defa dolayarak bu germe işlemini gerçekleştirdik. Gerilmiş telin mıknatısın değemediği köşe noktasına normalde bu tele hafif değerek akımı sağlayacak, benzer şekildeki malzemelerle fakat ona dik şekilde gerilmiş, ileri geri götürerek diğer tele değme sertliğini ve dolayısıyla akım süresini ayarlayabildiğimiz,  ana devreye bağlı yine iletken başka bir tel daha yerleştirdik. Mıknatıs gerilmiş tele değip kısa süreli pik oluştuktan hemen sonra iki telin birbirinden ayrılmasıyla bu değme ve dolayısıyla akım sonlanacak şekilde yerlerini ayarladık. Böylece sonrasında mıknatıs bobin sargısına değdiğinde gerilen tel mıknatısa değsede iletimde olmadı ve bu şekilde değme anını daha net şekilde görebildik. Aksine değme sırasında da bu akım devam etseydi oluşan diğer pik dalgalar değme anının net görülmesini engelleyecekti. Kullanılan anahtarların mıknatısı çekecek metal içermemesi ve mıknatısın ileriye gidiş hızını azaltmayacak şekilde olması gerektiğinden hazır olanları değilde bu şekilde kendi yaptığımız bir tasarımı tercih ettik.  Anahtar görevini tamamlayacak bu ikinci tele seri şekilde bağlı bir tane 0.1 mm çapındaki ince bobin telinden hazırladığımız, 15-20 sarımdan oluşan mini bobin sargısını asıl büyük bobin sargımızın içine yerleştirdik ve uçlarına da deneyerek asıl büyük bobin sargısı gibi akım verilince yine kalıcı mıknatısı çekecek şekilde ayarladık. Mini bobin sargısından gelen tel ucunu sıyırıp iletken hale getirdikten sonra ucu istenirse lehimlemeye ihtiyaç bırakmaması nedeniyle çift taraflı köpük bant ile mıknatısın alt tarafına tutturarak bağlantıyı sağladık. Bu ek bobin sargısı çok ince telli ve küçük olduğundan istediğimiz gibi asıl bobin sargımızın hareketlerine hemen hiç etkisi olmamakta. Böylece mıknatıs asıl büyük bobin sargısına 1 cm kala anahtar görevini görecek gerili iletken tel kalıcı mıknatısın iletken yüzünün orta kısmına değmekte ve mıknatısın bu iletken yüzeyine sabitlediğimiz, bu yüze bağlı mini bobin sargısından gelen telle devreyi kısa süreliğine tamamlamaktaydı. Değmeyen zamanlarda ise devre tamamlanmamış ve açık olmaktaydı.  Ana bobin sargısına yaklaşma hareketi sırasında buradaki anahtarın mıknatısa bir süre değerek iletime geçirilmesi ile mini bobin sargısı üzerinde mıknatıs etkisi ve akımın başlaması nedeniyle akımı gösteren dalga üzerinde oluşan pik dalgasının başlangıç anını (1) ve ikinci olarakda bu pikten bir süre sonra aşağı doğru genliğinde artma hareketinin durup paralel seyretmeye başladığı anı(2) yani değme anını bulup hesapları bu verilere göre yapabildik.

Bulgular

Ölçüme başlarken osiloskobu single(tekil tarama) moduna aldık. Osiloskubun problarından birini; mavi olanı bobin sargımıza gelen gerilimi ölçmek için Voltajı\gerilimi simgelemesi açısından osiloskopta V olarak adlandırıp asıl bobin sargımızın her iki ucuna, diğer sarı renkli probu ise 1 ohmluk direnç üzerine düşen gerilimi dolayısıyla sistemden geçen akımı ölçebilmek için ve Akımı simgelemesi açısından osiloskopta A olarak adlandırıp şönt direnç uçlarına Şekil-1’de gösterilen devredeki gibi bağladık. 

                 Şekil -1 Devre Bağlantı Şeması 

Dalgaları daha kolay karşılaştırabilmek ve ekranda görünümünü yine sarı akım dalgasındaki gibi yukarı yönlü yapmak için Gerilim probu ayarlarında invert yani dalgayı ters çevirme seçeneğini işaretledik. Akım, gerilim ve matematiksel (Math) fonksiyon için uygun birim başına uygun genlik değerleri olarak hepsini 2 olarak ayarladık. Birim aralık başına zaman aralığını ise 50 milisaniye şeklinde seçtik. Osiloskopla harcanan enerjiyi bulabilmek için kullanılan integral fonksiyonunda bu şekilde integral ile alanı ölçülecek güç dalgası olarak hazır bir dalgayı değilde f(x) fonksiyonu sonucunda oluşacak dalgayı seçtik. 1. işlemde f(x ) fonksiyonu olarak (AxB) çarpımını seçtikten sonra f(x)-A için 1. Kanalı ve f(x)-B için 2. Kanalı seçiyoruz yani Akım ve Gerilimi çarpmış oluyoruz. Çarpım sonucunda oluşacak dalga Harcanan Elektriksel Güç Dalgası ve belli sürede oluşan bu elektriksel güç dalgası altındaki alanın ölçümü yani integral işlemi bize harcadığımız toplam elektriksel enerjiyi veriyor. Özetle biz bu şekilde osiloskoba önce akım ve gerilimi çarpıp güç dalgasını oluştur ancak bana oluşan dalgayı göstermeden, bu dalgada zamana göre harcanan enerjiyi mor dalga ile göster komutunu vermiş oluyoruz.

Hemen sonrasında asıl anahtarımız olan A1’e basarak akımı başlattık. Mıknatıs hızla bobin sargısına doğru yaklaşırken önce 1 cm kala mıknatısın ön yüzü ile anahtar (A2) görevindeki gerilmiş tel birbirine temas ederek devreyi kısa süreliğine tamamladı ve içteki mini ek bobin sargısının devreye girmesi ile şekilde-2’de osiloskop ekranında tümünü gördüğümüz dalga üzerinde bu dalganın sonuna doğru normal eğimi bozan bir pik veya dalga grubu görebildik. Üzerinde daha az artefakt oluşması ve gecikme oluşmaması nedeniyle sarı renkle gördüğümüz akım dalgası üzerinde oluşan ek pik dalgası ve değme anı daha net ve doğru gözlemlenebilmekte.  Bu pik dalga başlangıç noktası asıl bobin sargımıza kalıcı mıknatısın gerilmiş tele değdiği nokta olan 1 cm kala olan mesafeyi göstermektedir(şekil-3\ 1.). Mıknatıs biraz daha ilerleyince iki telin bağlantısı kesilerek mini bobin devreden çıkmış olduğundan bu sayede değme anı daha net gözlenebildi. Dalga aşağı doğru seyrediyorken paralel seyretmeye başladığı ilk an ise mıknatısın bobin sargısına değdiği anı göstermektedir(şekil-3\ 2.)  Hemen sonrasında A1 anahtarı kapatıldı.

Şekil-2: Osiloskopta oluşan dalgalar                

                                                            Şekil-3: Dalgalardaki pikler ve değişiklikler

Burada osiloskopta imleçle integral hesaplama başlangıcı yani dalga başlangıcını seçtikten sonra bitiş zaman noktası olarakda değme anını seçtik ve aynı imleci Math değerini gösterecek şekilde seçip integral sonucunu gösteren mor dalganın en üst, bitiş noktasına yani değme anının olduğu noktaya yerleştirdik. Bu şekilde değme anına kadar geçen sürenin 114 milisaniye olduğunu ve bu süre içinde 4.18 joule bir elektriksel enerji harcanmış olduğunu bulduk.

Sonrasında kazanılan enerjilerden biri olarak hesaplayacağımız bobin ısı enerjisini bulmak için aynı dalgalar üzerinde 2. Matematiksel işleme geçtik. Bu hesaplamadaki tek fark (I² x R x t) formülünü esas alıyor olmamız nedeniyle akım dalgasını gerilimle değilde yine akım dalgası ile çarpacak şekilde sadece f(x)-B ‘yi 1. kanal olarak değiştirmek oldu. Dalganın ölçüm başlangıç ve bitiş noktasını seçtiğimiz imleçlerin yerleri ve diğer tüm ayarlar aynı tutuldu. Bobin sargımızın saf omik direnç değerini R=1 ohm olarak ayarladığımızdan ve formülde akımı 1 ile çarpmak sonucu değiştirmediğinden osiloskopta akım dalgası ile yine akım dalgasını çarptığımızda aslında akım dalgası(I) ile bize asıl gerekli olan sarım yapılmamış ya da akımın artık değişmediği zamanki statik hali ile bobin sargı uçları üzerine düşen gerilim dalgasını(V) çarparak ısı kaybı için harcanan güç dalgasını(P) bulmuş oluyoruz. Bizde bu şekilde zamana karşı oluşan bu güç dalgasında osiloskoptaki matematiksel integral işlemi ile Bobin Isı Kayıpları için harcanan enerjiyi 3.58 joule olarak bulduk.

Sonrasında kazanılan toplam enerjiyi hesaplayabilmek için kalıcı mıknatısımızın bobin sargısına değdiği andaki son hızını ve kinetik enerjisini hesaplamaya çalıştık. Bunun için daha hassas süre aralığı ölçümü yapabilmek için zamanı 2 ms /birim aralık şeklinde ayarladık ve imleç yardımıyla pik başlangıcı ile değme anı arasını 9.64 ms olarak ölçtük. Dolayısıyla kalıcı mıknatısın bobin sargısına yaklaşırken son 1 cm mesafeyi 9.64 ms de aldığını ve bu aralıkta kalıcı mıknatısın ortalama hızının ((V =X/t)  formülü ile alınan yolu yani 1 cm’i bu süreye böldüğümüzde 1.03 m/sn olduğunu hesaplamış olduk.

Tabi ki değme anındaki ve asıl hesaplarda kullanmamız gereken son hız değme anına 1 cm kala başlayan aralıktaki ortalama hızdan azda olsa daha fazla olacaktır ancak hesaplarda kullandığımız bu daha düşük hızla bile ispatı sunacak kadar manyetik enerji kazandığımızı gösterebildiğimizden, bu şekilde hata payımızı daha da azaltmış oluyoruz. Kazanılan kinetik enerjiyi 1\2 mV² formülünden bulabilmek için mıknatısın kütlesini dijital hassas bir tartı ile ölçtüğümüzde 1.44 kg değerini, formülde yerine koyuncada 1\2 x  1.44   x (1.03)²   = 0.76  joule değerini bulduk. Mıknatısın sarkaçtaki hareket nedeniyle yukarıya doğru yükselmesi nedeniyle kazandığı potansiyel enerjiyi (m x g x h) formülü ile bulmak için cetvel ile mıknatısın ilk konumdaki yüksekliği ile anahtarı kapatıp elektrik akımı verildikten sonraki bobin sargısına bitişikkenki yüksekliğini ölçtüğümüzde aradaki farkın yani yükselme miktarının ( 20 – 14) = 6 mm kadar olduğunu, formülde değerleri yerine koyduğumuzda ise1.44 kg  x 9.81  x 0.006 metre (6 mm) =  0.08  joule  değerini bulduk.  Kazanılan enerjiyi bulmak için Toplam enerji = (Bobin Isı Kaybı Nedeniyle Kazanılan Enerji + Saptanabilen Ek Elektromanyetik Kayıplar + Mıknatısın Kazandığı Kinetik Enerji + Mıknatısın Kazandığı Potansiyel Enerji) değerlerini sırayla yerine koyduğumuzda toplam kazanılan enerjinin 3.58 + 0 + 0.76 + 0.08= 4.42 joule olduğunu bulduk. Buna karşı bobin sargısında Harcadığımız Elektriksel Enerji ise 4.18 joule idi. Kazanılan toplam enerjiyi bu değerden çıkardığımızda 4.42 – 4.18   = 0.24 joule fazlaymış gibi gözüken, aslında kalıcı mıknatıstan elde edilen bir enerjinin varlığını bu deney vasıtasıyla böylece görmüş olduk.