YER MANYETİĞİNE

GİRİŞ

BERAN GÜRLEMEKOCAELİ ÜNİVERSİTESİ

-2015-

İÇERİK

1.MANYETİK TANIMLAR

3.MANYETİK PARAMETRELER

2.YER MANYETİK ALANI

4.JEOFIZIK YILI

MANYETİK TANIMLAR

Bölüm 1

Kutuplar

Manyetik ve coğrafi kutuplar birbiriyle uyum içindedir. Manyetik kutuplar zamanla yer değistirmektedir.

Yerin manyetik alanını en iyi açıklayan model Jeodinamo teorisidir.

Sıvı halde bulunan Fe + Ni karışımından oluşan dış çekirdek iyi bir iletken durumundadır ve sıcaklık gradyanına sahiptir.

Yerin dış çekirdeğinde sürekli oluşan termal konveksiyon akımları elektrik akımı oluşturmakta ve bu akım yerin asıl manyetik alanını oluşturmaktadır.

Teori yerin kendi kendini isleten bir dinamo gibi davrandığını söyler.

Jeodinamo Teorisi

İki kutuplu (dipol) Manyetik alan dünyayı çevrelemektedir.

Manyetik alanın kutuplarının ve şiddetinin hızlı bir sekilde değişmesi bir sıvıdan kaynaklandığını göstermektedir.

Metallerin konveksiyonu elektrik akımını oluşturur.

Bu modele jeodinamo modeli denir.

Jeodinamo Modeli

Yeni kayaçlar oluştuğu veya kristallendiği zaman, bazı minerallerin danelerinin manyetizmaları, o zamandaki manyetik alana göre yönlenirler.

Buna kalıcı manyetizma denir.

Kalıcı Manyetizma

Demir, kobalt, nikel, gadolinyum ve disproziyum gibi elementler güçlü mıknatıslık özellikleri gösterebilirler.Demir, mıknatıslık özelliği yokken bile bir mıknatısın manyetik alanına tabi tutulduğunda mıknatıslık özelliği kazanır.

Eğer ki, demir gibi bir element düzgün bir manyetik alan etkisinde belli bir süre bekletilirse, bu elementin her bir atomu, manyetik dipol momentlerini bu etkisi altında kaldıkları manyetik alan yönüne çevirmeye çalışırlar.

Kalıcı Mıknatıslanma

Kayaçlardaki doğal kalıcı manyetizma yönlerinin ölçülmesi ile yerin manyetik alanının jeolojik geçmişteki durumunun incelenmesine paleomanyetizma denir.

Paleomanyetizma ile geçmişteki levha hareketleri incelenir.

Paleomanyetizma

Yerin manyetik alanının kutupları geçmiş 500 milyon yıl önce binlerce kez değişmiştir.

En son değişiklik 30000 yıl önce oluşmuştur. Bununla birlikte en önemli değişiklik 700 000 yıl önce gerçekleşmiştir

Bu değişiklikler ani olup yaklasık bin yıl sürmektedir

Manyetik Terslenme

Kuzeye yönelik

kutuplaşmaya

normal kutuplaşma denir.

Güneye yönelik kutuplaşmaya

ters kutuplaşma denir.

Manyetik Terslenme

Manyetizmanın egemen olarak bir yönde olduğu zaman periyoduna manyetik çağ denir.

Manyetik Çağ

Manyetik Çağ

Atom çekirdeği etrafında dönen elektronlar, sanki bir tel üzerinde hareket eden yükler gibi manyetik alanlar oluştururlar.

Elektronların yörünge hareketi sonucu oluşturdukları bu manyetik alana atomların manyetik dipol momenti denir

Dipol Momenti

Büyük bir çoğunlukla manyetik dipol momentleri aynı yöne bakan atomların yöne bağlı toplam manyetik dipol momentleri maddenin kendi oluşturduğu manyetik alana eşittir.

Atomların dizilişleri ne kadar düzgünse maddenin manyetik alanı da o kadar güçlüdür.

Bazı maddeler dünyanın manyetik alanına göre atomlarının dizilişlerini düzenler ve doğal mıknatısları oluştururlar. Bazı maddeler, atomlarının özelliklerine göre manyetizma özelliği kazanırlar. Manyetik özellikler üç çeşide ayrılır:

Bunlar ferromanyetikler, paramanyetikler ve diamanyetiklerdir.

Manyetik Özellikler

Demir, nikel, kobalt, diproziyum ve gadolinyum ve bunların alaşımları, düzgün bir manyetik alan etkisinde kaldıkları zaman, manyetik alanın şiddetine göre mıknatıslık özelliği kazanırlar ve daimi mıknatıslar oluştururlar.

Ferromanyetiklerin öz manyetik dipol momentleri aynı yönde bulunursa yüksek şiddetle manyetik etkiler doğururlar.

Ferromanyetikler

Paramagnetizma, çift halinde bulunmayan tek sayılı elektronlara sahip atomların manyetik dipol momentlerinin özelliğidir. Dışarıdan uygulanan bir manyetik alan yokken ve termal koşullara bağlı olarak, maddenin atomları nın manyetik dipol momentleri gelişi güzel şekil almışlardır. Belli sıcaklıklarda ve dışarıdan etki eden bir manyetik alan sayesinde bu maddeler manyetik özellikler kazanır.

Bunlara en iyi örnek sıvı oksijen, Al ve Cu2O’dir. Sıvı oksijen bir “U” mıknatısın uçları arasına döküldüğünde sıvı oksijenin mıknatısın uçları arasında toplandığı gözlenir.

Paramanyetikler

Diamanyetik maddelerin atomlarındaki çiftlenmemiş elektronlar, dışarıda bir manyetik alan oluştuğunda Lenz kanuna göre, elektronları dış manyetik alanın ters yönünde bir manyetik alan oluşturacak şekilde hızlarını artırırlar.Bunun sonucu olarak atomların toplam oluşturdukları manyetik alan ve dış manyetik alanın vektörel toplamları nın oluşturduğu net manyetik alanın şiddeti, etki eden manyetik alandan daha azdır.

Bakır, kurşun, grafit gibi elementler, diamanyetik maddelere en iyi örnekleri oluştururlar. Isıtılan bir maddede atomlar daha düzensiz hareketler yapar ve öz manyetik dipol momentleri rasgele dizilir. Sonuç olarak toplam manyetik dipol momentleri birbirlerini sıfırlayacak şekilde konumlanır.

Diamanyetikler

MıknatısMıknatısın uçları güney ve kuzey kutup olarak adlandırılır.

Her mıknatısın çevresinde “Manyetik alanı” vardır.

Manyetik alan çizgileri kuzey kutbunda başlar güney kutbunda son bulur.

Aynı kutuplar bir birini iter, zıt kutuplar birbirini çeker.

Çubuk Mıknatıs

a. Bir çubuk mıknatısı çevreleyen manyetik alan deseninin (çizgilerinin) demir tozları ile görünür hale getirilmiş resmi.

b. İki çubuk mıknatısın zıt kutupları arasındaki manyetik alan deseni.

c. İki çubuk mıknatısın aynı kutupları arasındaki manyetik alan deseni.

Çubuk Mıknatıs Kutupları

a b c

MANYETİK PARAMETRELER

Bölüm 3

1 Mıknatısın Özellikleri

1.1Manyetik Kutup

Mıknatısın çekme özelliği, mıknatısın uçlarına yakın bölgelerde toplanmıştır. Bu özel bölgelere “manyetik kutup” denilmektedir. Yandaki şekilde izlendiği gibi kutuplar mıknatısın uçlarında, mıknatıs boyunun 1/12 si kadar olan bir bölgede toplanmıştır.

Bir çubuk mıknatısta iki kutbu birleştiren ve güney kutuptan kuzey kutba olan eksene “manyetik eksen”denir.

1.2 Manyetik Kutuplar Arasındaki Kuvvet Yasası Manyetik kutuplarla kuvvet arasındaki ilişki Coloumb yasası olarak

bilinir ve aşağıdaki bağıntıya ifade edilir. F₌(1/µ)*P₁P₂/r² Bağıntıda, P₁ ve P₂ kutup şiddeti, r kutuplar arası uzaklık ve µ ise

manyetik geçirgenlik (permeabilite) olarak verilmektedir. Ayrıca, manyetik geçirgenlik ile daha sonra tanımlanacak olan mıknatıslanma katsayısı (süsetibilite) arasında da bir bağıntı vardır. Sözü edilen parametrelerin de aldıkları değlerler tabloda verilmiştir.

Sembol Anlamı C.G.S M.K.S

P Kutup şiddeti cgsb weber r Uzaklık cm metre F Kuvvet dyn newton µ Many. Geçirgenlik cgsb henry/metre

2. Manyetik Alan Büyüklükleri

2.1 Manyetik Alan Şiddetimanyetik alan şiddeti o alanda bulunan birim kutba etki eden dyn cinsiden kuvvetle ölçülür. Şiddeti H olan bir manyetik alanda kutup şiddeti P olan bir mıknatıs üzerine etki eden kuvvet F₌(1/µ)*H*P manyetik alan şiddet birimi, uluslararası fizik örgütünce Oersted olarak benimsenmiştir. B akı yoğunluğu veya manyetik endüksiyon vektörü için kullanılmaktadır.

Yalnız yer manyetizmasında manyetik alan ölçümleri hep havada yapıldığından ve havanında, deniz seviyesinde geçirgenliği çok küçük olduğundan, havada B ve H aynı sayısal değerde alınabilir. Bu yüzden çok kez jeofizikçiler, geleneği sürdürerek havada yapılan yermanyetizması ölçü değerlerinde Oersted yerine gauss birimini kullanmaktadırlar. 1 Oerstedlik alan içinde, şiddeti 1 olan manyetik kutup üzerine etki eden kuvvet 1 dyn dir.

1ϒ₌1nT₌10⁻⁵ Ƭ dir.

2.2 Kuvvet ÇizgileriManyetik alan içinde serbest

olarak bulunan bir manyetik kutup, manyetik kuvvet etkisinde kalır ve “kuvvet çizgisini” takip ederek hareketine devam eder. 1 Gaussluk alan şiddeti bulanan bir ortamda kuvvet doğrultusunda dik birim yüzeyde (1cm²), 1 kuvvet çizigisini geçtiği varsayılır. Bu durumda, 1 noktadaki manyetik alan şiddeti; kuvvet doğrultusuna dik 1 cm²lik yüzeyde bulunan kuvvet çizgisi sayısı olarak da alınabilir.

2.3 Manyetik AkıManyetik bir cisim, manyetik alana konduğu zaman, kuvvet çizgilerinden etkilenir. Başka bir değişle, mıknatıslanabilen bir cisim manyetik alana konduğu zaman söz konusu cismin içindeki akı miktarı (kuvvet çizgileri), akı yoğunluğu ile tanımlanabilir. B₌Ø/s Burada B akı yoğunluğu (Gauss), Ø manyetik akı (maxwell), s ise cm² dir. H (Oersted) cismin dışındaki manyetik alan olmak üzere manyetik akı için hava veya boşuklta Ø₌H.s yazılabilir.

2.4 Manyetik Geçirgenlik (Permeabilite)

Cisim içinde, birim kesitten geçen cisim çizgileri sayısının havada birim kesitten geçen kuvvet çizgileri sayısına oranı olarak tanımlanır ve

µ ₌(Ø/s)/H₌ B/H bağıntısıyla elde edilir.2.5 Mıknatıslanma ŞiddetiBir mıknatısın mıknatıslanma şiddeti, mıknatıslanmanın bir ölçüsüdür. Aynı zamanda mıknatıslanma şiddeti mıknatıslanma doğrultusuyla dik açı yapan mıknatısın birim dik kesitinin kutup şiddeti olarak da bilinir.

J₌P/s Mıknatıslanma şiddeti aynı zamanda polarizasyon olarakda bilinir.

2.6 Özel Mıknatıslanma Cisimlerin mıknatıslanmaları konusunda, çok özel mıknatıslanma (σ) da kullanılır. V hacmindeki bir mıknatısın kütlesi m ise, mıknatıs cismin birim gramının momenti σ olarak da tanımlanır.

σ₌V/m2.7 Manyetik Moment Bir çubuk mıknatısın manyetik momenti kutup şiddetiyle iki kutup arasındaki uzaklığın çarpımına eşittir. M₌P.LBağıntıda P kutup şiddeti, L ise iki kutup arasındaki uzaklık. P, cgsb ve L, cm cinsinden alındığında M cgs*emb cinsinden elde edilir.

YER MANYETİK ALANI Bölüm

2

1.YER MANYETİZMASI

1.1 MIKNATIS Bilindiği gibi demir parçaları gibi bazı cisimleri

çekme özelliği olan cisimlere mıknatıs denilmektedir. Cisimlerin bu özelliği çok eski dönemlerden bu yana bilindiği halde, olayın ne zaman, nerede ve kim tarafından ortaya konulduğu bilinmemektedir. M.Ö 2600 yıllarında, eski çinlilerin mıknatıslamayı bildiklerinden söz edilmekle birlikte bu konuda söylentilerin ötesinde elde herhangi bir kanıt bulunmamaktadır.

M.Ö 6.yy da eski yunanlıların mıknatıslanmayı bildikleri kesindir. Felsefenin babası Thales (M.Ö 640-546) mıknatıs taşının çekme özelliği anlatılır ve bu özelliği taşta var olan bir ruha(soul) bağlar.

Mıknatıs taşı olarak bilinen maddenin kimyaca bilinen yapısı Fe₃O₄ ve manyetit adını taşır. Lucretius’e göre (M.Ö 98-55) taşın bu adı , onun ilk bulunduğu yer olan Magnesla (Manisa ) gelmektedir.

1.2 YERMANYETİK ALANI yer çevresinde bir manyetik

alanın varlığı, bu alanın oluşumu, nedeni ve başlangıcı uzun yıllar araştırıcıların uğraş alanı olmuştur. yermanyetik alanının varlığı pusula adı verilen bir aygıt ile, kolayca ortaya konulabilir. Pusulanın yaklaşık coğrafi kuzeye yakın bir yöne dönük ucu kuzey kutup ve onun karşıt ucuna güney kutup adı verilmiştir.

İlk pusula İngiltere’de Alexander Neckam adlı bir din adamının tabii ilimler üzerine 1167 yılında yaptığı iki yayından anlaşıldığı üzere, denizcilerce, 11.yy içinde kullanılmaya başlanılmıştır.

Yerin dev bir mıknatıs oluşunun ve onun da, her mıknatıs gibi kuzey, güney olarak iki kutbunun bulunduğunu insanlar daha sonraki yüzyıllarda öğrenmiştir. Örneğin, Cristofher Columbus 1492’de, Atlantik Okyanusun’dan Doğu Hindistan’a varmak için batıya doğru açıldığı ve sonunda, Amerika’nın keşfiyle sonuçlanan ünlü deniz yolculuğu döneminde, mıknatısın sürekli olarak kuzey coğrafi kutbu göstermektedir.

Eğim açısı (I) ile ilgili ilk yazılı kayıt 1544 yılındadır. Bu tarihte yazılmış bir mektupta, Nürnberg’li bir alet ustası olan Hartman’nın yaptığı bir aygıt anlatılmaktadır. Aygıt, ağırlık merkezinden geçen yatay bir eksene bağlı bir demir çubuktan oluşmaktadır. Çubuk mıknatıslanmadan önce, her yönde dengede kalabilmekteyken, boyunca mıknatıslandığı zaman dengesi bozulmakta ve yatayla belirli bir açı oluşturarak denge halini almaktaydı.

1.3 Yermanyetizmasının DoğuşuManyetik D (sapma açısı) ve I (eğim açısı) açılarının doğru olarak ölçülmeleri, yermanyetizması bilim dalının doğuşunda, ön gelişmedir ve dalın doğuşunu, bir hekim olan William Gilbert (1540-1603) sağlamıştır. Gilbert , Pierre Maricourt’un deneylerini ele almış ve dört ciltlik Latince yazılmış olan “De Magnet” adlı eseri meydana getirmiştir.Gilbert bu önemli yapıtında yerın dev bir mıknatıs olduğunu ve kutuplarının yerlerini, manyetik meridyeni, meridyen boyunca kürenin manyetik alanın dağılımını açıklamış, aynı zamanda cisimlerin mıknatıslanma yolarını ve özellikleri günümüz benzer yapıtlarında görülen ölçülerde anlatılmıştır.

1.4 Yermanyetik Alanının yer küresi Üzerinde Ölçümleri İlk dönemlerde, yermanyetik alanı bilimsel

çalışmalardan çok, yarar sağlamak amacıyla ölçülmekteydi. Bugün bilinenlere göre, insan yararına dönük olarak ilk önemli sapma açısı ölçülerini, Portekiz’li Castro yapmıştır. Araştırma, 1538-1541 yılları arasında Kızıldeniz ve Hint Okyanusunun batı kısmında yapılmıştır. Okyanuslara ait ilk manyetik harita İngiliz astronomu Halley tarafından yapılmıştır. manyetik alan şiddeti, standart birimler cinsinden, ancak 1832 yılından sonra Gauss ‘un çalışmalarıyla sağlanmıştır. Bağıl değer olarak alan şiddeti, daha önceleri, Humboltd tarafından 1799-1803 yılları arasında yapılmıştır.

Galilee 1905-1909 yılları arasında okyanuslarda, yaklaşık 64000 millik; ve ikincisi, Carnegie ise 80⁰N ve 60⁰S enlemleri arasında ve 1909-1929 yılları süresince, 298000 millik yolculuklar sonunda, Türk limanları da dahil olmak üzere dünyanın birçok yerinde ölçüler yapmıştır.

Rusların Zarya adlı, anti-manyetik gemisi, 1957-1958 dünya Jeofizik yılı nedeniyle 15 ay süresince, Atlantik ve Hint Okyanuslarında 47000 mil tutan yol izlemiş ve bu iki denizde manyetik alan vektörü, sürekli kaydedilmiştir.

Yermanyetik alan kaynağının yerinin tartışılması için ilk küresel harmonik analizi, 1839 yılında, Gauss tarafından yapılmıştır.

1.5 Geçici manyetik Alan Değişimleri Ve manyetik Alan Bozuklukları

Geçici değişmeleri ilk olarak, 1722 yılında, Graham (1724) tarafında ortaya konmuş. Bu araştırmacı Londra’da, pusula iğnesinin sapmalarını incelemiş ve sapma açısının bazı günler yavaş ve düzgün, bazı günlerde ise bozuk değiştiğini gözlemiştir. Manyetik bakımından sakin(quite) ve hareketli(disturbe) gün kavramı da, ilk olana Graham tarafından tanımlanmıştır. manyetik olayların, meteorolojik olaylar gibi yerel olmayıp geniş bölgeleri aynı zamanda etkileme özelliği, İngiltere’de Graham ve İsveç’te (Upsala) Celcius’un aynı dönemde benzer olayları kendi bölgelerinde saptamaları ile ortaya konmuştur. Canton (1759) D açısının (sapma açısı) mevsimlere göre değiştiğini saptamıştır. İlk manyetik gözlem evi Göttingen’de Gauss tarafından kurulmuştur ve yermanyetik alanının üç bileşeni (D,H ve Z) ilk olarak burada ölçülmüştür.

JEOFİZİK YILI

Bölüm 4

Yermanyetik alanıyla uğraşan bilimciler ayrı ayrı yerlerde ve değişik zamanlarda yapılan ölçümlerin yeterli olmadığı inancıyla, büyük bir alanda ve aynı dönemde beraber ölçümler yapılmasına karar vermişlerdir.

İlk birleşme 01.08.1882-01.09.1983 yılları arasında, 13 süreyle kuzey ve güney ayarım kürelerin yukarı enlemlerinde,manyetik ve meteorolojik gözlem ve ölçümler yapmışlar, kutup ışıklarını izlemişlerdir. Denemeye katılan devletlerin sayısı 11dir. Bu çalışmalar çok başarılı olmuştur ve 50 yılda ara ile yinelemek kararı almıştırlar.

İlk Çalışmalar

1932-1933 yılları arasında, yine 13 ay süreyle aynı bölgelerde çalışmalar yapılmıştır. Bu kez çalışmaya katılan devletlerin sayısı 22’ye yükselmiştir.

3.uluslararası ortak çalışma döneminin 2.den 50 yıl sonra yapılması düşünülürken 2.Dünya Savaşı süresince, jeofiziğin hemen her alanında meydana gelen çok hızlı gelişmeler ve yeni teknik olanaklar nedeniyle 1950 yılından başlayarak 3.dönemin 50 yerine 25 yılına indirilmesi ve çalışmaların 1957-1958 yılları süresince sürdürmeleri onaylanmıştır.

1957-1958 arasında 19 ay süre için düzenlenmiştir. Bu defa incelemelerin yerleri yalnız kutup bölümlerine değil tüm yer küresine dağıtılmış ve buralarda ayrım gösterilmeden, iyonosfer ve uzay olaylarına da içine alan tüm jeofizik konuları araştırılmak üzere ele alınmıştır.

Bu çalışmaya katılan devletlerin sayısı 67 ye yükselmiştir. Sayılan nedenlerden ötürü son dönem “Jeofizik Yılı” olarak isimlendirilmiştir.

1.Katı yer, okyanuslar, büyük antartika, aşağı atmosfer

2.Kutup ışıkları, uzayda yerın çevresi,

şeklinde iki grupta toplanmıştır.

IGY (International Geophysical Year) süresince son derece ilginç sonuçlar sağlanan üç çalışma alanında, araştırmaların devamı için, aşağıdaki üç çalışma grubu kurulmuştur.

● COSPAR( Committee For Space Research) uzay çalışmalarını sürdürecektir.

● SCAR(Scientific Committee on Antarctic Research) güney kutbuyla ilgili başlanmış çalışmaları yürütmektedir.

● SCOR(Scientific Committee on Oceanic Research) okyanuslardaki çalışmaların güdümünü sağlayacaktadır.

Jeofizik Yılı Araştırmaları

Ayrıca, uluslararası jeodezi ve jeofizik birliğinin uluslararası jeomanyetizma ve aeronomi yermanyetik alanı ile aeronomi konusunda yapılmakta olan tüm çalışmaları, gerek uluslararası gerekse önerilerle ulusal düzeyde daha etkin kılabilmek için değişik bölümler altında toplanmaya karar vermiştir. Bu karar ışığında oluşturulan 5 bölüm;

İç manyetik alanlar (Internal Magnetic Fields)

Aeronomik olaylar (Aeronomic Phenomena)

Magnetosferik olaylar (Magnetospheric Phenomena)

Güneş rüzgarları ve gezegenler arası Manyetik alanlar

(Solarwind and Interplanetary Magnetic Fields)

Gözlemevleri, aletler, manyetik göstergeler ve veriler

(Observatories, Instruments, Indices and Data)

TEŞEKKÜRLER...