Özel Görelilik - Mıknatıs İlişkisi

Sadece bazı maddeler kalıcı mıknatıs olabilir. Örneğin demir olabilir ancak bakır olamaz. Fakat önceki durumları ne olursa olsun, herhangi bir metalden elektrik akımı geçirilirse işler değişir. Hepsi elektromıknatıs olacaktır. Peki bunun prensibi nedir? İlginç şekilde; Özel görelilik denmektedir.

Özel görelilik, bulunduğumuz evrende, uzunluk ve zamanın mutlak durumda olmadığı bir gerçekliktir. Birbirlerine göre farklı hızları olan gözlemciler, farklı zaman ve uzunluk ölçümleri yapacaklardır. Basit şekilde, durgun gözlemciye göre hareketli birinin saati daha yavaş akar ve hareketi doğrultusunda uzunluğu büzülür. Ancak bu durumların "hissedilebilir şekilde" olabilmesi için çok yüksek hızlar gerekmektedir. Bu kısıma daha sonra geleceğiz.

Şimdi bir bakır tel düşünelim. Bir serbest ve tabi negatif yüklü elektron denizinde yüzen pozitif yüklü protonlar olacaktır. Burada pozitif yükleri proton olarak adlandırmamızın sebebi elektronların serbest olduklarında arkalarında bıraktıkları eşit ve zıt yük olan pozitif yükün protonlardan kaynaklanmasıdır. Protonların sayısı elektronların sayısına eşit ve böylece sistemdeki toplam yük sıfır, yani sistem nötr durumdadır. Örneğin şekil 1'de altta görüldüğü gibi duran bir pozitif yük, üzerinde bir net kuvvet hissetmeyecektir.

Telin üzerinden akım geçtiğinde ise elektronlar, akım kavramının doğası gereği hareket etmelerine rağmen, yine pozitif ve negatif yük yoğunluklarında bir değişim olmayacak ve yine telin yanında duran pozitif yük, elektriksel kuvvetin etkisi altında olmayacaktır. Pozitif yükün gözlem çerçevesine göre elektronlar bir yönde sürüklenmektedir. Tabi bu paragraftaki görüşü çürütücü bazı kaynaklar ve yazının tamamını okuduktan sonra, duran yükün neden manyetik alan hissetmediği ile ilgili okuyucuların aklına yatmayacak yerler olacaktır. Yazının sonunda bu kaynaklar ve kuşku bırakan yere değinilmiştir.

360px-Relativistic_electromagnetism_fig6.svg

Şekil 1. Telin yanında duran pozitif yük.

Özel rölativite ile ilgili kısma tekrar gelirsek; Pozitif yük hareket etmeye başlarsa ne olmaktadır? Bu kez yükün elektronlarla aynı yön ve hızda hareket ettiğini düşünelim. Dışarıdan bakan gözlemciye göre tel, hala nötrdür ve yükün üzerinde bir kuvvet olmamalıdır. Ancak yükün gözlem çerçevesinden bakarsak, bu kez elektronların durduğunu ve protonların hareket ettiklerini görürüz. Özel göreliliğe göre, protonların aralarındaki boşluk biraz büzülecektir. Ayrıca bu gözlem çerçevesine göre, elektronlar hareket etmediklerinden, onların arasındaki mesafeler de bir ölçüde büyüyecektir. Bu iki değişikliğin sonucu olarak pozitif yük yoğunluğu, negatif yük yoğunluğundan fazla olacaktır. Artık sistem nötr değildir ve aynı işaretli yüklerin birbirini itmesi doğrultusunda, hareketli yükü itecektir (Şekil 2).

sapma

Şekil 2. Yük hareketli olduğu zaman yüke etkiyen elektriksel kuvvet sonucu olan sapma. Üstteki ok yükün olması gereken hareket yönü, alttaki ok ile biten eğri ise gözlenen gerçek hareketidir.

Bu olay bizim gözlem çerçevemize göre ilginçtir. Duran bir yük üzerinde kuvvet yok ancak hareketli yük üzerinde var. Nötr bir telin yükü ittiğini veya çektiğini görüyoruz. Buna manyetik kuvvet diyoruz. Bu deneyin bize gösterdiği, manyetik alanın aslında başka bir gözlem çerçevesine göre elektrik alanın ta kendisi olduğudur. Elektrik alan veya manyetik alan olarak gözlemlenen nicelikler gözlemciye bağlıdır. Her iki durumda da sonuçları aynıdır.

Şimdi, hissedilebilir bir uzunluk genişlemesi olabilmesi için çok yüksek hızların (ışık hızının onda biri limitinden fazla) gerektiğini söylemiştik. Ancak akımın akış hızı, ışık hızının onda birinden bile milyarlarca kat küçüktür. O zaman burada özel rölativite nasıl devreye girebiliyor? Şöyle ki; sistemde elektriksel yüklerin (-,+) sayısı çok fazla olduğu için, hız çok küçük olduğundan ihmal edilebilir ölçekteki bir uzunluk büzülmesi bile etki gösterir. Çünkü yük yoğunluğu dengesini bozar.

Buraya kadar tamam diyebiliriz. Ancak, manyetik alan ve özel rölativitenin bu şekilde ilişkilendirilmesi doğrultusunda akla hemen şu soru gelmektedir: Telde akım akarken duran bir yüke göre de elektronlar uzunluk büzülmesine uğramalı yani yük dengesi bozulmalı ancak yük duruyorken neden herhangi bir harekete başlamamaktadır? Bu konu ile ilgili teorik ve deneysel araştırmalar halen devam etmekte ve bu doğa olayını gerçekten anlamamız doğrultusunda daha katedilecek yol vardır. Şu kaynakta görüldüğü gibi .(http://www.alternativephysics.org/book/LCmagnetism.htm).

Emir Haliki

Kaynaklar
1. A. Beiser, Concepts of Modern Physics, McGraw-Hill Kogakusha Ltd. 1973

Şekiller
1. https://en.wikipedia.org/wiki/Talk%3ARelativistic_electromagnetism
2. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8c/Lorentz_force.svg/2000px-Lorentz_force.svg.png

Emir Haliki

Ege Üniversitesi Fen Fakültesi - Fizik Bölümü Doktora Öğrencisi. Karmaşık sistemler, genetik düzenlenme mekanizmaları ve ağ analizleri çalışma alanı. Aynı zamanda matematik, sayısal çözümleme, biyoloji ve astronomi de ilgi alanları. Bunların yanında zaman zaman amatör olarak gözlemsel astronomi, doğa yürüyüşleri, oyun motorları tasarımları ile ilgileniyor.

Emir Haliki 17 makale yazdıEmir Haliki tarafından yazılan tüm makaleleri gör