manyetizma ve elektromanyetizma
advertisement
DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ DOKUZUNCU BÖLÜM: MANYETİZMA VE ELEKTROMANYETİZMA Anahtar Kelimeler Amper-sarım, elektromanyetizma, Faraday kanunu, akı, akı yoğunluğu, indüksiyon, sol el kuralı, Lenz kanunu, kuvvet çizgileri, manyetik alan, manyetik alan yoğunluğu (H), manyetik kutuplanma, manyetizma, manyeto-motor-kuvvet (m-m-k), manyetik geçirgenlik katsayısı (), bağıl manyetik alan geçirgenlik katsayısı ( r), manyetik direnç (relüktans), artık mıknatıslanma, doyma, Tesla, Weber. Kainattaki en harikulade olay belki de manyetizma ve elektrikle olan ilişkisidir. Günümüz dünyasında manyetik depolama (bellek uygulamaları) oldukça önemli bir olay haline gelmiştir. Bilgisayarlarda kullanılan disketler ve sabit diskler, CD ve DVD’ler inanılmaz boyutta bilgi ve belgeyi çok küçük hacimlerde depolayabilmektedir. Ses ve görüntü kaydetme ve iletme olaylarında da manyetizmanın uygulamalarını görüyoruz. Manyetizmanın anlaşılması aynı zamanda endüstriyel ölçüm ve denetim cihazları ile sistemleri konusunda da son derece önemlidir. Elektrik ölçü aletleri, röleler, selenoidler, manyetik anahtarlar, indüktörler, transformatörler, motorlar, generatörler ve sayamadığımız daha bir çok cihaz manyetizma ilkelerine göre tasarlanmışlardır. Sizlerde birer teknik eleman olarak çalışma hayatınızda bu tür cihazların bir çoğunu bizzat kullanacağınızdan manyetizmanın ilkeleri, ölçüm birimleri, manyetik devreler ve genel olarak elektrik devreleri ile ilişkileri konusunda belli bir yeterliliğe ulaşmak zorundasınız. Bu bölümde kazandırılacak yeterliklerden sonra öğrenci; Manyetizmayı, manyetik alanı, manyetik kutuplanmayı ve akıyı tanımlar. Sürekli mıknatısların manyetik alanlarını çizer. Manyetik itme ve çekme kanunlarını öğrenir. Manyetik kuvvet çizgileri hakkında en az beş genelleme yapar. Akım taşıyan iletkenlerle ilgili alanları tanımlar. Sol el kuralını kullanarak elektromıknatısların kutuplanmasını belirler. Ölçme, terimler ve simgeler anlamında en az beş tane manyetik birimi ifade eder. B-H eğrisini çizer ve anlatır. Histerezis döngüsünü çizer ve açıklar. Manyetik alanların motor ve generatör etkisini açıklar. İndüklenen e-m-k hakkında yeterli bilgi sahibi olur. Faraday kanunundaki büyüklükleri ve ilişkilerini açıklar. Lenz kanunundaki büyüklükleri ve ilişkilerini açıklar. TEMEL BİLGİLER Mıknatıslar 11.yy’ da Çinliler tarafından pusulalarda kullanılmaya başlanmıştır. Daha önceki çağlarda mıknatıslar ve manyetizma hakkında bilinenler oldukça sınırlıydı. Oysa bugün sürekli mıknatıs adı verilen malzemelerle manyetizmayı oldukça uzun süreler için kalıcı yapabiliyoruz. Bu tür mıknatıslarda genellikle sert demir ve demir-nikel alaşımları kullanılmaktadır. Mıknatıslanma kuvveti kaldırıldıktan sonra manyetik etkilerini kaybeden geçici mıknatıslar da bir çok uygulamalarda kullanılmaktadır. 1800’lü yıllarda elektrikle manyetizma arasındaki ilişkiler keşfedilmeye başlandı. Hans Öersted serbest sallanan bir mıknatısın akım taşıyan kabloyu aralarındaki mesafe azaldıkça daha çok etkilediğini buldu. Kablodan geçen akım büyüdükçe karşılıklı bir etkileşim oluşmaktaydı. Kablodan hiç akım akmıyorken hiçbir etkileşim gözlenmiyordu. Böylece sürekli akımın sürekli manyetik etki oluşturduğu anlaşıldı. Daha sonraları bu etki alanına manyetik alan dendi. Joseph Henri ve Michael Faraday değişen akım seviyeleri veya manyetik alanın hareketi ile oluşan başka sonuçlar elde ettiler. Henri bir iletkenden geçen akım seviyeleri değiştiğinde yakında bulunan ve kapalı akım yoluna sahip bir başka iletkende akım oluştuğunu gördü. Faraday bir iletken etrafında sürekli mıknatısın hareket ettirilmesi ile bu iletkende akım oluşturulabileceğini gösterdi. Akım oluşumu kapalı bir akım yolunun varlığını gerektirse de gerilim indüklenmesi için bunun gerekmediği anlaşıldı. MANYETİZMAYI TANIMLAYAN TEMEL KANUNLAR VE KURALLAR Mıknatıs oluşturulduğunda mıknatıs etrafında manyetik alan adı verilen manyetik bir etki alanı oluşur. Bu manyetik alan ya malzeme içindeki manyetik kuvvetlerin hizalanması ile ya da iletken malzemeden geçen yüklerin hareketi ile oluşturulur. Manyetik alan akı çizgileri de denilen manyetik kuvvet hatları içermektedir. Böylece manyetik akı tabiri ile mıknatıs ve manyetik kuvvet hatlarıyla ilgili her şeyi DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ anlatmış oluruz. Akı için kullanılan simge yunan alfabesinin bir harfi olan Ø’dir ve “fi” diye okunur. Manyetik alan çizgileri Maxwell birimi ile ifade edilir. Yani 1 manyetik alan çizgisi 1 Maxwell’e 50 manyetik alan çizgisi 50 Maxwell’e eşittir. Akı konusunda kullanılan bir diğer birim Weber’dir. 1 Akı çizgisinin 1 Maxwell’e eşit olması gibi 100 milyon (108) akı hattı da 1 Weber’e eşittir. Böylece 1 mikroweber (W) 100 hatta veya 100 Maxwelle eşittir. Akı yoğunluğu her bir birim yüzeydeki hat sayısıdır. Şekil 9.1. Mıknatıslanmış ve mıknatıslanmamış durumlar Mukavva gibi manyetik olmayan malzemeler üzerine demir tozları konursa ve bu mukavva bir çubuk mıknatısın üzerine getirilip titreştirilirse mukavva üzerinde bulunan demir tozları aşağıdaki şekle göre dağılacaklardır. Demir tozlarının bu durumda aldığı biçim çubuk mıknatısın manyetik alan çizgilerini gösterecektir. Şekil 9.2. Bir çubuk mıknatısın oluşturduğu manyetik alanın demir tozları ile gözlenmesi Mıknatısların oluşturduğu manyetik alanları daha iyi anlamak için aşağıdaki şekil faydalı olacaktır. Şekle dikkatlice bakılırsa çubuk mıknatısın her ucunda kuvvet çizgilerinin yoğunlaştığı ve uçlardan uzaklaştıkça kuvvet çizgilerinin yayıldığı görülecektir.bahsedilen uçlara N ve S isimleri verilmiştir. Bu uçlar mıknatısın kutuplarıdır. Yani N ucu kuzeyi arayan ve S ucu da güneyi arayan kutuplardır. Kuvvet çizgilerinin yönünü temsil etmek için kullanılan ifade akı çizgilerinin kuzey kutbundan çıkıp güney kutbunda mıknatısa tekrar girdiğidir. Mıknatısın içinde akı çizgileri güney kutbundan kuzey kutbuna doğru yol alacaklardır. Her akı çizgisi kesiksiz bir döngü veya halkadır. DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Şekil 9.3. Kuvvet çizgileri Aşağıdaki şekilde iki tane çubuk mıknatıs kullanılarak aynı kutupların birbirini ittiği ve farklı kutupların birbirini çektiği gösterilmektedir. Şekil 9.4. Aynı kutuplar birbirini iter, farklı kutuplar birbirini çeker. Kuvvet çizgileri ile ilgili kurallar Buraya kadar anlatılanlara ek olarak aşağıdaki şekil üzerinde ifade edilen ilgili genellemeleri de bilmek gerekmektedir. 1. Manyetik hatlar süreklidir. 2. Manyetik çizgilerin yönü mıknatısın dışında kuzeyden güneye doğru ve içinde ise güneyden kuzeye doğrudur. 3. Manyetik hatlar en kısa ve en kolay yolu takip eder. 4. Aynı yöndeki hatlar birbirini iter, fakat toplamsal etki gösterirler, yani bir uçtan bir uca doğru alanı kuvvetlendirirler. Ters yöndeki hatlar birbirini çeker ve birbirini iptal eder. Bir uçtan bir uca doğru olan alnı zayıflatır. 5. Manyetik hatlar manyetik olmayan malzemelerin içinden geçer. 6. Kuvvet hatları birbirini kesmez. DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Şekil 9.5. Kuvvet çizgileri ile ilgili kurallar Sürekli mıknatıslar hakkında bazı temel bilgiler Elektromanyetizma konusuna geçmeden önce sürekli mıknatıslar ile ilgili birkaç noktanın altını çizmekte fayda vardır. 1) Sürekli mıknatıslar gerçekte sürekli değildirler. Çünkü zaman içinde güçlerini kaybederler veya yüksek ısı altında, fiziksel olarak dövüldüklerinde mıknatıs özellikleri kalmaz. DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ 2) Çubuk şekli dışında değişik biçimlerde de elde edilebilirler. En yaygın kullanılan türlerden biri at nalı şeklinde olandır. Şekil 9.6. At nalı şeklinde mıknatıs 3) Alan çizgilerinin şekli akı için en kolay yola bağlıdır. Şekil 9.7. Alan çizgilerinin şekli akı için en kolay yola bağlıdır. 4) Mıknatısların depolanması için kullanılan yöntemler alan kuvvetlerinin korunmasına yardım eder. Mesela çubuk mıknatısların ters kutuplarının birlikte yerleştirilmesi ile veya at nalı şeklindeki mıknatısların iki ucu arasına yerleştirilen koruyucu bar adı verilen bir manyetik malzeme ile depolanmaları mıknatıs özelliklerinin uzun süre kalıcı olmasını sağlar. Şekil 9.8. Mıknatısların kuvvetlerinin korunması 5) Mıknatısın alan çizgileri yolunda manyetik özellikli bir malzeme varsa, mıknatıs bu malzemeye manyetik özellik kazandırır. DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Şekil 9.9. Kazandırılan manyetizma DOĞAL ELEKTROMANYETİZMA Akım taşıyan iletken etrafındaki alanın yönü Akım taşıyan iletkenle manyetik alan arasındaki ilişki Hans Öersted tarafından keşfedilmiştir. İletkenden geçen akımın yönü ile bu iletken etrafında oluşan manyetik alanın yönü arasındaki ilişki iletken etrafında hareket ettirilen pusulanın ibre konumunun değişimi ile tespit edilir. Şekil 9.10. a) Akım taşıyan iletken etrafındaki alan b) Akım taşıyan iletken için sol el kuralı Yukarıdaki şeklin a kısmında kablonun bir ucu (siyah nokta) gösterilmektedir. Buna göre akım size doğru gelmektedir. b şeklinde akım yönü ile içinden akım geçen iletken etrafındaki manyetik alan yönü arasındaki ilişki görülmektedir. Her iki şekil sol el kuralını açıklamaktadır. DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Akım taşıyan iletkenler için sol el kuralı İletkeni baş parmak akım yönünü gösterecek şekilde sol elinizle kavrarsanız iletken etrafındaki manyetik alan diğer parmaklarınızın oluşturduğu halka yönünde olacaktır. Bu kural aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi de ifade edilebilir. Bu gösterimde akım ve baş parmağınız siyah bir nokta ile yönün size doğru olduğunu belirtmek üzere gösterilmiştir. Bu durumda manyetik alan saat ibresi yönünde olacaktır. Eğer iletkenin içine (+) işareti konmuşsa bunun anlamı akımın sizden sayfanın içine doğru olduğudur. O zaman manyetik alan yönünün saat ibresinin tersi olduğunu söyleyebiliriz. Şekil 9.11. Akım taşıyan iletkenlerin etrafındaki manyetik alanlar Akım taşıyan paralel iletkenler arasındaki kuvvet Şekil 9.12. Akım taşıyan komşu iletkenler arasındaki kuvvet Yukarıda a şeklinde akım yönleri aynı olan iki paralel iletken görülmektedir. Burada iletkenler arasındaki akı çizgileri birbirine göre ters yöndedir. Bu durumun sonucu akı hatlarının birbirini çekmesi ve dolayısıyla birbirini yok etmesidir. Kuvvet hatları birbirini kesmediği için manyetik alan örneği azalacaktır. Bu iki komşu iletkenin manyetik alanın zayıflayan bölümüne veya birbirine doğru hareket edeceğini gösterir. Diğer taraftan bu iki komşu iletken aynı yönde akımlara sahip iseler iki iletken arasındaki kuvvet hatları aynı yönde hareket edeceğinden, akı hatları birbirini iter ve iletkenler ayrı taraflara hareket eder. Çok sarımlı sargı etrafındaki alan Aynı yönde akım taşıyan iletkenlerin kendi alanları daha büyük ve daha güçlü alanlar haline dönüşür. Bu durum yukarıdaki şekilde gösterilmektedir. Akım taşıyan bir iletken bir sargıda olduğu gibi çok sayıda sarımdan oluşacak şekilde yapılırsa, sargı civarında, sargının komşu sarımlarının birleşimi ile elde edilen alan sayısı kadar büyük bir alan oluşturacaktır. DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Şekil 9.13.Daha güçlü “birleştirilmiş” alan Şekil 9.14. Sargının kuvvet alanı ve manyetik kutuplanmanın belirlenmesi Yukarıdaki şekilde sürekli çubuk mıknatısta olduğu gibi sargının kuzey ve güney manyetik kutuplara sahip olduğu ve bunların nasıl belirlendiği de gösterilmiştir. Bir elektromıknatısın manyetik kutuplanması diğer bir sol el kuralı ile belirlenebilir. Elektromıknatısların kutuplanmasını belirlemek için sol el kuralı Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi sargıyı sol elinizle kavrayan parmaklar akım yönünü gösterecek şekilde halkalarsanız baş parmağınız kuzey kutbunu gösterecektir. Şekil 9.15. Elektromıknatısların kutuplanmasını belirlemek için sol el kuralı DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Bir elektromıknatısın alan kuvvetini etkileyen etkenler Buraya kadar anlatılanlardan elektromıknatısın kuvveti ile sarım sayısının ilişkisi olduğunu tahmin edebilirsiniz. Yani sargıların birim uzunluğundaki sarım sayısı arttıkça manyetik alanın kuvveti de artacaktır. Şekil 9.16. Elektromıknatısın kuvvetini belirleyen etkenler Ayrıca iletkenden geçen akımın miktarı manyetik kuvveti doğrudan etkileyecektir. Daha fazla akım birim zamanda daha fazla yükün taşındığı anlamına gelmektedir. Sargının kesit alanı büyüdükçe kuvvet de artacaktır. Akı çizgilerinin yolu üzerindeki malzemenin karakteristikleri de elektromıknatısın kuvvetini etkileyecektir. Eğer bu malzeme manyetik özelliğe sahipse manyetik olmayan malzemeye göre çok daha büyük bir kuvvet ortaya çıkacaktır. Manyetik yolun uzunluğu da kuvveti etkilemektedir. Mesela x uzunluğu için 100 sarımlı bir sargımız olsun. Eğer bu 100 sarımı 2 x uzunluğunda sararsak sarımlar birbirinden uzaklaşacağı için kuvvet azalacak, yani daha az bir mıknatıslanma kuvveti elde edilecektir. Özetle alan kuvveti; 1) 2) 3) 4) 5) Sargıdaki sarım sayısı Sargıdan geçen akımın değeri Sargının kesit alanı Malzemenin manyetik özellikler açısından türü Sargının uzunluğu (birim uzunluk başına asrım sayısı) ile değişecektir. Manyetizma ve elektromanyetizma ile ilgili bazı önemli konular 1) Aynı kutuplar iter, farklı kutuplar çeker. 2) İtme veya çekmenin miktarı kutupların birbirine yakınlığı ve kuvvetlerine bağlıdır. İtme ve çekme kutupların kuvveti ile doğru orantılı, aralarındaki mesafenin (d) karesi ile ters orantılıdır. Kuvvet=(birinci kutbun gücü).(ikinci kutbun gücü)/d2 DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ 3) Mıknatısın gücü (kuvveti) manyetik alanın birim kesit alanındaki akı çizgilerinin sayısı ile orantılıdır. 4) Mıknatısın dışındaki manyetik çizgiler kuzey kutbundan güney kutbuna doğru yol alırlar. Şekil 9.17. Bazı önemli manyetik özellikler 5) Akı yolunun karakteristikleri verilen mıknatıslanma kuvveti tarafından ne kadar akının oluşturulduğunu belirler. Bu yüzden eğer akı yolu hava, vakum veya manyetik olmayan malzeme ise daha az akı oluşur. Ama bu yol manyetik bir malzeme olduğunda akı hatları daha kolay oluşacaktır.bunların sonucu olarak manyetik bir yola hava boşluğu girdiğinde alanın manyetik kuvvetinin azalacağını söyleyebiliriz. 6) Manyetik alan akı çizgilerinin şekli yol üzerindeki malzemelerin özellikleri ile kontrol edilir. Yani kuvvet hatları kendilerine en az zorluk (relüktans ya da manyetik direnç) yolu takip ederler. 7) Elektrik devrelerindeki ohm kanunu ile manyetik devreler arasında bir ilişki kurulabilir. Ohm kanununa göre bir devreden geçen akımın miktarı devreye uygulanan e-m-k’nın miktarı ile doğru orantılı ve akım akışına zorluk gösteren direnç değeri ile ters orantılıdır. Manyetik devrelerde ise manyetik devreden geçen akı çizgilerinin sayısı mıknatıslanma kuvvetinin değeri ile doğru orantılı, akı çizgilerine zorluk gösteren etki ile ters orantılıdır. Manyetik devrelerdeki akıya karşı gösterilen bu zorluğa manyetik direnç veya relüktans denir ve ile gösterilir. MANYETİZMANIN BAZI UYGULAMALARI Şekil 9.18. Manyetik uygulamaların kullanıldığı bazı ürünler DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Şekil 9.19. Disketlerin yapısı Bilgisayar disketlerinde bilgiler iz ve sektör formatında depolanmaktadır. Böylece istenilen döngüdeki istenen bilgiye manyetik olarak belleğe yerleştirildikleri için ulaşılabilmektedir. Ses kasetlerinde ses dalgaları kayıt kafasında elektrik işaretlerine dönüştürülmektedir. Bu durumda manyetik örnekler elde edilmektedir. Kaydedilen sesin çalınması sırasında bu işlemin tersi olmaktadır. Tabii arada sesi işleyen bazı devre yapıları da vardır. Video kasetlerinde benzer fakat daha karmaşık işlemler kullanılmaktadır. Her iki durumda da ses ve video işaretleri manyetik olarak depolanmaktadır. DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Şekil 9.20. Ses, video veya sayısal verilerin kaydedilmesi ve okunması için manyetizmanın kullanılması Endüstriyel cihazlar Endüstride oldukça fazla sayıda elektromanyetik cihaz kullanılmaktadır. Bunların en bilinenleri röleler, kontaktörler, selenoidler ve manyetik anahtarlardır. Günümüzde düşük güçlü uygulamalarda elektromekanik röle ve selenoidlerin yerini katı hal anahtarlama cihazları alıyor olsa da bu tür cihazlar yine de yaygın olarak kullanılmaktadır. Rölelerin kontakları elektromanyetik çekirdeklerinden akımın geçip geçmemesine bağlı olarak açık veya kapalı durumlar arasında konu8m değiştirmektir. Selenoidlerdeki hareketli çekirdek elektrik enerjisini miktarına bağlı olarak konumunu değiştirmektedir. Dönüştürücülerde, valflerde ve pek çok iletim sürecinde başka uygulamalar için yaygın olarak kullanılmaktadır. Şekil 9.21. Çok bilinen bazı elektromanyetik cihazlar Endüstride çalışan teknik elemanlar çalışmaları manyetizma ve elektromanyetizmaya bağlı olan ölçüm cihazları veya enstrümanlarını sıklıkla kullanmaktadır. DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Şekil 9.22. a) Arabalarda kullanılan kontak rölesi b) Tek kontakla düşük güçle yüksek güçlü cihazı kontrol eden röle Manyetizma ve elektromanyetizmanın bir diğer önemli kullanım alanı motor ve generatörlerdir. Motorlarda elektrik enerjisi mekanik enerjiye dönüştürülmektedir. Selenoidlerde doğrusal bir hareket elde edilirken motorlarda genellikle dönme hareketi elde edilmektedir. Generatörler mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren cihazlardır. Transformatörler elektromanyetizmanın diğer bir uygulaması olup değişken akımlı sistemlerde ayrıca anlatılacaktır. ÖNEMLİ MANYETİK BİRİMLER, TERİMLER, SİMGELER VE DENKLEMLER Daha önce akı çizgisi veya kuvvetin manyetik çizgisi için maxwell ve 10 8 akı çizgisine eşit olduğunu söyleyerek Weber birimlerini kullanmıştık. Günlük hayatta fiziki boyutlar hacim, ağırlık, hız vb için birçok birim kullanmaktayız. Elektronik sahasında da kendine özgü birçok birimin varolduğunu biliyoruz. CGS birim sisteminde uzunluk için cm, ağırlık için gr ve zaman için saniye kullanılmakta olup bu ü birimin baş harfleri birleştirilerek CGS DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ adı elde edilmektedir. Bununla beraber 1960’lardan sonra uzunluk için metre, ağırlık için kilogram, zaman için saniye ve elektriki akım için Amperin kullanıldığı MKSA birim sistemi kullanılmaya başlanmıştır. Bu sistem milletlerarası çalışmalarda genel kabul gördüğünden İngilizce adının ilk harfleri ile SI birim sistemi olarak ta bilinmektedir. Temel manyetik devre Aşağıdaki tabloda manyetik birimler, simgeler ve denklemler verilmiştir. Teknik elemanlar bu çizelgede verilenlerle ilgilenmek zorunda kaldıkları pek çok uygulamayla karşılaşmaktadırlar. Ohm kanununun manyetik eş değeri olan ve Rowland kanunu olarak bilinen manyetik ifadeler bir sonraki tabloda verilmiştir. Çizelge 9.1. Manyetik birimler, simgeler ve formüller DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Çizelge 9.2. Rowland kanunu B, H ve manyetik geçirgenlik etkenleri arasındaki ilişkiler M-m-k in birim uzunluktaki değeri veya manyetik alan yoğunluğu diye tarif edilen H , verilen manyetik ortamdaki akı yoğunluğunu veya birim alandaki akıyı üreten etkendir. Verilen bir H için B’nin miktarı akı yolunun manyetik geçirgenliği ile doğru orantılıdır. Vakum ortamı için bu ifade şöyle olacaktır. 0=B / H B=0 x H H=B / 0 Örnek 100 sarımlı bir sarıdan 5A geçiyorsa m-m-k ne kadardır? Çözüm m-m-k=N . I=100 . 5 = 500 Amper-sarım Örnek Yukarıdaki örnekte sargının uzunluğu 0,1 metre ise manyetik alan yoğunluğu nedir? Çözüm H=amper-sarım / metre = 500 / 0,1 = 5000 Amper-sarım/metre Örnek Kesit alanı 0,002 m2 olan kuzey kutbundan gelen 10000 çizgi varsa SI birim sisteminde akı yoğunluğu ne olur? Çözüm Ø = hat sayısı / 108 = 104 / 108 = 10-4 B= Ø / A =10-4 / 0,002 = 0,05 Tesla DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Örnek Bağıl geçirgenliği 2000 olan bir malzemenin SI birim sisteminde mutlak geçirgenliği nedir? Çözüm =0 x r =12,57.10-7 x 2000 = 2514.10-6 Örnek Metrekare başına 100 Weber akı varsa akı yoğunluğu Tesla cinsinden ne olur? Çözüm B=100Weber / 1m2 = 100 Tesla Örnek Eğer bir manyetik devre 2mm genişliğinde ve kesit alanı 5cm 2 olan bir hava boşluğuna sahipse boşluğun relüktansı ne olur? Çözüm Hava için r =1 olduğundan = l / A = 2.10-3 / 12,57.10-7 .5.10-4 = 31,82.105 SI birimi Örnek Eğer bir sargının bilinmeyen bir çekirdek malzeme kullanıldığında akı yoğunluğu 3000 Weber ve çekirdek olarak hava kullanıldığında akı yoğunluğu 1000 Weber ise bilinmeyen malzemenin bağıl manyetik geçirgenliği nedir? Çözüm r=(Bilinmeyen çekirdekle akı yoğunluğu) / (Çekirdek olarak hava ile akı yoğunluğu) = 3000 / 1000 = 3 ÇEKİRDEK MALZEMELERLE İLGİLİ BAZI ÖNEMLİ BİLGİLER Elektromanyetizma ile ilgili ilkeleri kullanan pek çok devre elemanı ve cihazla çalışacağınız için çekirdek malzemeler hakkında diğer bazı bilgilere de ihtiyacınız olacaktır. Verilen bir mıknatıslama kuvveti için sargıda manyetik alan gücü çekirdek hava olduğunda ferromanyetik maddeden yapılmış çekirdeğe göre daha zayıf olacaktır. Şekil 9.23. Çekirdek malzemelerin etkileri DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Ayrıca malzemenin manyetik özellikleri mıknatıslanmanın derecesi ile değişmektedir. Bu yüzden mıknatıslanma kuvvet alanı yoğunluğu H ile, üretilen akı yoğunluğu B arasındaki ilişki sabit değildir. B-H EĞRİSİ Manyetik malzeme üreticileri kullanıcıların istenen amaca uygun malzemeleri seçebilmeleri için gerekli verileri sunmaktadırlar. Bunun için kullanılan en önemli veri B-H eğrisi ya da mıknatıslanma eğrisidir. Şekil 9.24. B-H eğrisi Yukarıdaki şekilde verilen B-H eğrisine bakılırsa mıknatıslanma yoğunluğu H arttıkça akı yoğunluğu B’nin de doğrusal olmayan bir ilişkiyle arttığı görülecektir. Bu eğriden bazı önemli sonuçlar çıkarılabilir. 1) Mıknatıslanma süresince (sürekli çizgi) sargıdan geçen akımın artışıyla H da artmakta , ama S gibi bir noktaya erişildikten sonra H’taki ilave artışlar akı yoğunluğunu (B) arttırmamaktadır. Bunun sebebi çekirdeğin doyma denilen duruma erişmesidir. S ile gösterilen bu noktada çekirdek daha fazla akı çizgisi içeremez. 2) Manyetizmanın azaltılması süresince (sargıdan akan akımın sıfır değerine azaltılması sırasında) kesikli çizgi ile gösterilen hat diğer bazı ilginç karakteristikleri beraberinde taşır. a) sargıdan akan akım sıfır olduğunda H sıfıra erişir. Bu durumda kalıcı veya artık mıknatısıyet yüzünden çekirdekte bir miktar akı yoğunluğu (B) kalır. Bu miktar eğrinin sıfır noktasından düşey yönde büyük R noktasına kadar olan uzaklıkla gösterilir (0-R) b) artık mıknatıslanmayı kaldırmak ve çekirdekteki manyetizmayı sıfıra düşürmek için yatay eksende gösterilen sıfır noktasından C noktasına kadar olan miktara eşit miktarda ve ters yönde mıknatıslanma yoğunluğu gerekecektir. Bu değer çekirdeğin kalıcı veya artık mıknatıslanmasını yok etmek için ihtiyaç duyulan zorlayıcı kuvvetin miktarını vermektedir. Farklı malzemelerin manyetik özelliklerini göstermek için kullanılan bazı B-H eğrileri aşağıdaki şekilde verilmiştir. Şekle baktığınızda farklı malzemelerin farklı akı yoğunluğu seviyelerinde (B) doymaya gittiğini göreceksiniz. Yukarıda da söylendiği gibi doyma oranı H’taki artışın B’de kayda değer bir artışa yol açmadığı durumda oluşmaktadır. DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Şekil 9.25. Farklı metaller için mıknatıslanma eğrileri HİSTEREZİS ÇEVRİMİ Bir diğer faydalı çizge (grafik) histerezis çevrimidir. Bu çevrim sargısından geçen bir yöndeki akımla çekirdeğin doymaya gitmesi durumunda ne olduğunu tanımlar. Daha sonra akım yönü ters çevrilir ve ters kutuplanmada çekirdek doymaya gidene kadar arttırılır. Bu olaylar sürekli olarak tekrar edilirse aşağıdaki şekilde gösterilene benzer bir sonuç elde edilir. Bu arada sargıya değişken akım uygulandığını belirtelim. Histerezis kelimesinin anlamı “geri kalma”dır. Bu çizgede de gösterildiği gibi akı yapısı mıknatıslanma kuvvetindeki değişimin gerisinde kalmaktadır. Şekil 9.26. Histerezis çevrimi DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Bu çizgeden elde edilen bazı önemli bilgiler şunlardır: 1) A ve B noktaları H’nin sıfır değerinden çekirdeğin doymaya erişmesine kadar ilk mıknatıslanmayı temsil etmektedir. 2) B ve C noktaları H’nin en büyük seviyesinden sıfır değerine kadar değişmesi sırasındaki akı yoğunluğu azalmasını temsil etmektedir. A ve C arasındaki düşey mesafe çekirdekteki artık mıknatıslanmanın miktarını vermektedir. 3) C ve D noktaları sıfıra dönüş ve ters kutuplanma yönünde H uygulandığında akı yoğunluğu azalmasını göstermektedir. A ve D arasındaki yatay mesafe zorlayıcı kuvveti temsil eder. 4) D ve E noktaları ilk mıknatıslanmadan ters yöndeki kutuplanma sonrasında çekirdek doymasına kadar akı yoğunluğunun yapısını temsil etmektedir. A ve I noktaları arasındaki toplam yatay mesafe doyma için gereken H değerini vermektedir. Çizgenin düşey ekseni gereken akı yoğunluğu miktarını (B) göstermektedir. 5) E ve F noktaları H’nin en büyük değerinden o kutuplanma için sıfıra kadar değişmesi sırasında akı yoğunluğundaki azalmayı göstermektedir. Artık mıknatıslanma A noktasından F noktasına kadar olan bölümle ifade edilmiştir. 6) F ve G noktaları kalıcı mıknatıslığın üstesinden gelen ters H’nin zorlayıcı kuvveti yüzünden sıfıra doğru düşen akı yoğunluğunun azalmasını göstermektedir. Zorlayıcı kuvvet A noktasından G noktasına kadar olan kısımdır. 7) G noktasından B noktasına gidilerek çevrim tamamlanmaktadır. Asıl yöndeki doymaya kadar B’nin artışı görülmektedir. Çevrimin bu parçası için B’den H’ye kadar olan düşey mesafe doymadaki akı yoğunluğu değeridir. 8) Histerezis çevriminin iç alanı mıknatıslanma, mıknatıslığı kaybetme, ters yönde mıknatıslanma ve tekrar bu mıknatıslığı kaybetme süreçlerinden oluşan çekirdek kayıplarını verir. Bu kayıplar çekirdekte ısınma ile ortaya çıkmaktadır. Zira sargıya uygulanan değişken akım ile manyetik alandaki hizalanma sürekli olarak değişmektedir. Çekirdek kayıpları ayrıca ele alınacak bir konudur. Geldiğimiz bu noktada malzemelerin nasıl mıknatıslandırıldıklarını ve bu mıknatıslanmanın nasıl kaldırıldığını merak ediyor olmalısınız. Bunun bir yolu H’nin her iki yönde yavaş yavaş azaltıldığı bir histerezis çevrimine malzemeyi koymaktır. H’deki azalmayı sağlamak için büyük bir değişken akım mıknatıslanma yok edici sargı kullanmak ve malzemeyi bu sargının içine yerleştirmek iyi bir yoldur. Malzeme değişken akımla enerjilenen bu sargıdan yavaş yavaş çekilmelidir. Televizyon tekniğinde renkli resim tüplerinin mıknatıslanmalarının kaldırılması için buna benzer sargılar kullanılmaktadır. Şekil 9.27. Mıknatıslanmayı kaldıran sargı örneği DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ İNDÜKSİYON VE İLGİLİ ETKİLERİ Motor etkisi Motorlar elektrik enerjisini mekanik enerjiye çeviren cihazlardır. Bildiğiniz gibi kuvvet alanları aynı yönde ise birbirini itmekte, farklı yönde ise birbirini çekmektedir. Bu gerçeğin önemli bir uygulaması motorlarda kullanılmaktadır. Konuyu daha iyi anlatmak için manyetik alan içine yerleştirilen akım taşıyan iletken örneğini kullanalım. Şekil 9.28. İletken üzerinde motor etkisinin gösterilmesi. Yukarıdaki şekil için şunları söyleyebiliriz : 1) Mıknatısın akı çizgilerinin yönü kuzeyden güneye doğrudur. 2) Akım taşıyan iletkenin akı çizgilerinin yönü sol el kuralı ile belirlenebilir. 3) İletkenin akı çizgileri ile mıknatısın kuvvet çizgilerinin etkileşimi iletkenin üstündeki hatlarda itme (çünkü yönleri aynı) ve iletkenin altındaki bölgede çekme (çünkü yönler farklı) şeklinde olacaktır. Bu yüzden alt taraftaki alan zayıflayacaktır. Bunun soncu iletkenin aşağıya doğru iletilmesidir. Bir diğer ifade ile iletkenin üstündeki bölgede mıknatıs ve iletkenden geçen akımın oluşturduğu hatlar birbirine yardım ederken alttaki bölgede birbirini yok etmeye çalışmaktadır. 4) İletkeni aşağı itmeye çalışan kuvvetin miktarı her iki alanın gücüne bağlıdır. İletkenden geçen akım arttıkça oluşan alanın gücü de artar. Aynı şekilde mıknatısın akı yoğunluğu arttıkça oluşturacağı alan da daha güçlü olacaktır. 5) Daha güçlü bir motor etkisi elde etmek için bir diğer yol iletkenin bir armatür gibi çok sarımlı bir sargıya dönüştürerek amper-sarım miktarını ve dolayısıyla oluşacak alanın gücünü arttırmaktır. Bu durum aşağıda gösterilmiştir. Şekil 9.29. Bir armatür sargısı ile daha güçlü bir motor etkisi elde edilebilir. DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ 6) Aşağıdaki şekle bakalım.iletkenden geçen akım ters çevrildiğinde veya mıknatısın kutupları değiştirildiğinde motor etkisinin yönü de ters dönecektir. Bu değişiklikler her iletken hem de mıknatıs için aynı anda yapılırsa yönde bir değişme olmayacaktır. Şekil 9.30. Akım ve alanın yönünün değiştirilmesinin etkileri Generatör etkisi Generatör etkisi ile anlatılmak istenen mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesidir. Elektrikle manyetizma arasındaki ilişkiyi önceki konularda ele almıştık. Elektromanyetik indüksiyon aradaki bu bağı ifade etmektedir. Faraday tarafından gözlenen fiziksel olayı tekrar hatırlayalım : Manyetik akıyı kesen bir iletkende eğer iletken kapalı bir yola sahipse bir e-m-k indüklenecektir. Aynı şekilde kapalı bir yola sahip iletken kuvvet çizgileri kesildiğinde de iletkende bir e-m-k oluşacaktır. Öz olarak bu ikisi arasında (iletkenle manyetik akı çizgileri arasında) bağıl bir hareket olduğunda e-m-k indüklenmektedir. Aşağıdaki şekle bakarak aşağıdakileri söyleyebiliriz: 1) Manyetik alanın yönü kuzeyden güneye doğrudur. 2) Mıknatısın manyetik alanına göre iletkenin fiziki hareket yönü yukarı doğrudur. 3) Gösterilen yönde iletkenin bu alanı kesmesi durumunda oluşacak akımın yönü size doğrudur. Aslında akım taşıyan iletkenler için sol el kuralı akım yönünün bu şekilde olacağını gösterecektir. Mesela parmaklarınızı akı yönünde kuzeyden güneye doğru uzatırsanız ve dört parmağınızla iletkeni manyetik alandaki bükülmeye uyacak şekilde kavrayıp başparmağınızı DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ dışa doğru uzatırsanız iletkende üretilecek akımın yönü ile baş parmağınızın yönü aynı olacaktır. 4) Eğer iletken alanın yukarısına değil de aşağısına doğru hareket ediyorsa oluşan akım ters yöndedir. Sol el kuralını parmaklardan dördünü yine manyetik alandaki bükülmeye uyacak şekilde kullanarak bu durumu rahatlıkla görebilirsiniz. 5) Eğer alana göre iletkeni daha hızlı hareket ettirirsek oluşacak akım veya e-m-k daha yüksek olacaktır. Çünkü bu durumda birim zamanda kesilen çizgi sayısı artacaktır. Şekil 9.31. Mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi İletkenin akı çizgilerini kesmesi ile e-m-k oluşması ve böylece kapalı bir yola sahip iletkende akım akışının üretilmesi gerçekten merak uyandıracak bir konudur. Daha önce kablodaki elektronların her birinin manyetik alanlarının belirtilmesi ile hizalanmaları elektron akışı ve akımın oluşması anlatılmıştı. Eğer iletken kapalı bir yola sahip değilse akım yolunu tamamlayamayacağından iletkenin bir tarafında elektron fazlalığı (negatif yüklü), diğer tarafında ise elektron azlığı (pozitif yüklü) sonucuna ulaşılacaktır. Böylece indüklenen bir e-m-k ya sahip oluruz. Eğer iletken kapalı bir devre üzerinde ise indüklenen bu e-m-k akım akışına yol açacaktır. İndüklenen gerilimin değerini belirleyen etkenler şunlardır : 1) 2) 3) 4) Akının miktarı Akı tarafından kesilen sarımların sayısı Akının kesme açısı Bağıl hareketin hızı FARADAY KANUNU Faraday kanunu kesen akının (Ø) hızına bağlı oranda e-m-k indükleneceğini ifade eder. VİND=Ø / T Burada VİND indüklenen e-m-k, Ø/T ise akının kesme hızıdır. SI birim sisteminde tek bir iletken 1 Weberlik (108) çizgi akıyı 1 saniyede keserse indüklenen gerilim 1 Volttur. Aynı şartlarda iki sarımlı bir DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ sargı için gerilim 2 Volt olur. Burada kullanılan simgesi gerçekleşen değişimin miktarını anlatmaktadır. Bazı durumlarda bu durum d harfiyle de ifade edilir. VİND=N.dØ / dt Burada N sarım sayısı, Ø Weber cinsinden akı ve t de saniye cinsinden zamandır. Eğer 100 sarımlı bir sargı saniyede 3 Weberlik akıyı kesiyorsa indüklenen gerilim 100 x 3 = 300V’tur. Aynı şekilde 3.108 akı çizgisi her saniye 100 sarımlı bir sargıyı kesiyorsa indüklenen gerilim 300V’tur. Generatörleri ayrıntıları ile anlatacak olmasak da manyetik alanda döndürülen bir iletken kangalı bilmek gerekecektir. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi iletkenler akı çizgilerini uygun açılarda kestikleri zaman en yüksek değerde gerilim indüklenecektir. Bu kangal 90 dereceden daha küçük açılarda iken, yani 90 dereceden sıfır dereceye doğru açı azalacak şekilde hareket ediyorken indüklenen gerilim de aynı oranda azalacaktır. Açı sıfıra indiğinde yani akı çizgileri ile kangal paralel olduğunda gerilim sıfıra düşecektir. Şekil 9.32. En büyük ve en küçük değerde gerilimlerin indüklendiği durumlar DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Şekil 9.33. Kangalın bir tam dönüşü sırasında oluşan çıkış gerilimini değiştirmek. İletken kangal ile akı çizgileri paralel olduğunda kangalda indüklenen gerilim en az, yani sıfır değerinde olduğu gibi bu açı 90 derece olduğunda indüklenen gerilim en büyük değerinde olacaktır. Sıfır ve 90 derece arasında değişen kangal konumu için indüklenen gerilim de sıfır ve en büyük değeri arasında değişecektir. LENZ KANUNU VE MOTORLARLA GENERATÖRLERİN KARŞILIKLI ETKİLERİ Lenz kanunu Bildiğiniz gibi enerji dönüşümü ile herhangi bir şey için başka bir şey elde edilmek istenmektedir. Mesela generatördeki motor etkisi durumunda generatör ile elektrik enerjisi üretmek için ters yöndeki motor etkisi kuvvetinin üstesinden gelmek ve armatür milini döndürmek üzere mekanik bir enerji uygulamamız gerekecektir. Sonuç olarak indüklenen akım ve bu akımın oluşturduğu alanlar söz konusudur. Lenz kanunu, üretilen gerilim veya akımın kendisine sebep olana karşılık koyma eğiliminde olan yönünü anlatır. Yani bir devredeki akı değişimi veya devredeki elektro-motor- kuvvet veya akımdaki değişme bu değişime ters yönde bir alan oluşturur. Aşağıdaki şekilde elektromıknatıs ve akım taşıyan iletkenler için sol el kuralını kullanalım. Mıknatıs sargı içinde aşağıya doğru hareket ettirildiği zaman oluşan akım sargının üst tarafında kuzey kutbu oluşturur. Asıl akımın yol açtığı sargının akı bağlantısı mıknatısın kuzey kutbunu çeker. Bir diğer anlatımla mıknatısı sargının içine hareket ettirmek için kullandığımız kuvvet kadar, oluşan akım tarafından harekete ters yönde bir alan üretilir. Lenz kanunu ile ifade edilen tersinden de anlatılabilir. Mıknatısı sargının dışına çektiğimiz zaman oluşan akım ters yöndedir, sargının üst tarafında güney kutbu oluşturur ve mıknatısı ters yönde geri çekmeye çalışır. Manyetik kutuplanma Lenz kanununa göre tanımlanabilir. DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Şekil 9.34. Lenz kanunu Generatördeki motor etkisi Generatörler mili hareket ettiren mekanik enerjiyi generatör çıkışındaki elektrik enerjisine dönüştürürler. Bildiğiniz gibi generatörün alan mıknatıslarının manyetik alanı içinde generatör sargıları hareket ettirildiğinde bu sargılarda faraday kanununa göre gerilim indüklenmektedir. İndüklenen gerilim sonucunda sargıların dahil olduğu kapalı devre boyunca bir akım akışı oluşacaktır. Oluşan bu akım içinden geçtiği iletkenlerin etrafında kendine sebep olan harekete karşı yönde bir manyetik alan oluşturur. Şekil 9.35. Generatördeki motor etkisi DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Motordaki generatör etkisi Aşağıdaki şekilde iletkenden geçirdiğimiz akım motor etkisi yüzünden kangalı saat ibresi yönünden döndürmektedir. Kangal saat ibresi yönünde döndüğünde kangalın sol tarafı akının üst tarafına, kangalın sağ tarafı da akının alt tarafına hareket edecektir. Kangal ve akı çizgileri arasında bir hareket söz konusu olduğu sürece indüklenen bir gerilim veya akım da var olacaktır. Oluşan bu akım motor armatürünün saat ibresi yönünde çevirmeye çalışan akıma göre ters yöndedir. Bu durum Lenz kanunu ile ilgilendirilerek motor içindeki generatör etkisi olarak ifade edilir. Şekil 9.36. Akının kesilmesi ile üretilen akı motoru döndüren akıma göre ters yöndedir ve bu durum motordaki generatör etkisi olarak bilinir. MANYETİZMAYLA İLGİLİ DİĞER KONULAR Manyetizmayla ilgili bazı genel konuların ifade edilmesinde fayda görülmektedir. Ele alınacak diğer konular şunlardır: 1) 2) 3) 4) 5) Toroid sargısı ( kapalı manyetik yol) Manyetik kalkan Kutup parçaları yolu ile alanların şekillendirilmesi Hall etkisi Malzemelerin özel sınıflandırılması. Toroid sargısı Toroidler can simidi şeklinde olup yumuşak demir, ferromanyetik veya düşük relüktanslı ve yüksek manyetik geçirgenliğe sahip malzemelerle yapılmışlardır. Sargı, akı çizgilerini kendi içinde hapsedeceğinden (hava boşluğu olmadığından) akı hatları son derece verimli olarak taşınacaktır. Sadece çok az miktarda bir kaçak akı olabilir. Bu yüzden nesne civarında manyetik etkiler hemen hemen hiç oluşmayacaktır. Aynı zamanda kendi iç alanı yakınlarda bulunan diğer manyetik alanlardan oldukça az etkilenecektir. Bir diğer ilginç durum toroid tasarımında hiç kutup bulunmamasıdır. Bununla beraber şeklin bir kısmı açılarak bir hava boşluğu oluşturulduğunda bu hava boşluğunun her iki tarafında kuzey ve güney kutbu oluşacaktır. DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Şekil 9.37. Toroid sargısı Manyetik kalkanlar Bildiğiniz gibi manyetik alanlar manyetik olmayan malzemeleri etkiler. Elemanları, cihazları korumak için manyetik kalkanlar kullanılır. Yüksek manyetik geçirgenlikli yumuşak demirden bir duvar kullanmak kalkan işlevi için faydalı olmaktadır. Aslında bu işlemle yapılan akı çizgilerinin ilgisini düşük relüktanslı yola çekerek diğer malzemeleri korumaktan ibarettir. Bu tür kalkanların önemli bir uygulaması elektrik ölçüm cihazlarında görülmektedir. Şekil 9.38. Manyetik kalkan kavramı Kutup parçaları yolu ile alanların şekillendirilmesi Aşağıdaki şekilde kullanılan kutup parçaları ile kutuplar arası bölgede hava boşluğundaki alan daha doğrusal yapılmakta ve hava boşluğunun her tarafında akı yoğunluğunun aynı kalması sağlanmaktadır. Bu tür bir kontrol çok sayıda uygulamada oldukça faydalı olmaktadır. DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Şekil 9.39. Bir alanı doğrusallaştırmak için kutup parçalarının kullanılması Hall etkisi Şekil 9.40. Hall etkisi Yukarıdaki şekilde Hall etkisi gösterilmektedir. Keşfeden bilim adamının soy adı ile anılan bu etkiye göre akım taşıyan bir malzeme harici bir manyetik alan içinde bulunursa bu malzemenin karşı yüzeylerinde küçük bir gerilim oluşmaktadır. Şekilden de görüldüğü gibi akım, alan akı çizgileri ve potansiyel farkın oluştuğu yüzeyler arasındaki konum ilişkisine göre gözlenen etki için şunlar söylenebilir. 1) Akı iletken üzerinden akan akımın yönüne diktir. Oluşan gerilim akı yoğunluğu (B) ile doğru orantılıdır. 2) Eğer akım iletkenin uzunluğu boyunca akıyorsa iletkenin genişliği boyunca veya tarafları arasında hal gerilimi (VH) oluşur. İndium-arsenid, Hall etkisi yoluyla akı yoğunluğunu ölçmek için kullanılan gaussmetreler gibi cihazlarda yararlanılan bir yarı iletken malzemedir. Birim akı yoğunluğu için yüksek değerde V H geriliminin elde edildiği bir malzeme olduğu için tercih edilmektedir. Hall etkisi gerilimi ile akı yoğunluğu doğru orantılı olduğu için proba bağlı ölçü aleti ilgili alandaki akı yoğunluğunu göstermek üzere kalibre edilebilir. Bu durum aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ Şekil 9.41. Akı yoğunluğunun ölçülmesi için Hall etkisinin kullanılması. Malzemelerin özel sınıfları Bu bölümde yüksek manyetik geçirgenliğe sahip olan ve güçlü bir şekilde mıknatıslandırılabilen ferromanyetik malzemeler üzerinde durduk. Bu tür malzemelerin örnekleri demir, çelik, nikel ve bazı alaşımlardır. Malzemelerin diğer sınıfları şunlardır: 1) Paramanyetik malzemeler zayıf manyetik özelliklere sahiptir. Bunların örnekleri alüminyum ve kromdur. 2) Diyamanyetik malzemelerin manyetik geçirgenlikleri 1’den küçüktür ve manyetik alan yönüne dik hizalanırlar. Bunların örnekleri cıva, bizmut, antimon, bakır ve çinkodur. 3) Ferritler toz haline getirilip sıkıştırılmış malzemeler olup manyetik geçirgenlikleri yüksek, fakat elektriki dirençleri de yüksek olduğundan yüksek frekans uygulamalarında kullanıldıklarında I2.R ifadesine bağlı eddy akımı kayıplarını en aza indirirler. Bu malzemelerin örnekleri nikelferrit, nikel-kobalt-ferrit’dir. Bildiğiniz gibi eddy akımları çekirdek malzeme içinde oluşan ve istenmeyen I2.R kayıplarına yol açan akımlardır. Bu bölümde anlatılanları özetlersek; Mıknatıs demir, bakır gibi bazı malzemeleri çeken bir nesnedir. Doğal olabileceği gibi demir, çelik gibi malzemelerde üretilen kalıcı veya sürekli mıknatıs türünde de olabilir. Ayrıca akım taşıyan bir sargı civarında bulunan yumuşak demir gibi malzemelerde geçici olarak mıknatıslanabilir. Demir ve nikel gibi bazı manyetik malzemeler mıknatıslar tarafından çekilir ve manyetik özelliklere sahip olabilirler. Mıknatıslar serbest hareket edecek şekilde asılırlarsa kuzey-güney yönünü gösterecek şekilde hizalanırlar. Bu durumda kuzeyi gösteren uç N güneyi gösteren uç S olarak adlandırılır. Bir manyetik alan mıknatıs etrafında akı olarak adlandırılan manyetik kuvvet çizgilerinden oluşur. Bu bölge manyetik kuvvetlerin etki alanıdır. Kuvvet çizgileri süreklidir. Mıknatısın dışında kuzey kutbundan güney kutbuna ve mıknatısın içinde güney kutbundan kuzey kutbuna doğru hareket eder. Bu hareket en kısa ve akı akışına en az zorluk gösteren yolu takip eder. Aynı yönde hareket eden kuvvet çizgileri birbirini iterken farklı yönde hareket edenler birbirini çeker. Kuvvet çizgileri birbirini asla kesmez ve manyetik olmayan malzemelerin içinden geçerler. Akım taşıyan iletken bir manyetik alanla çevrelenir. Bu manyetik alanın gücü iletkenden geçen akımın değeri ile doğru orantılıdır. DOĞRU AKIM DEVRE ANALİZİ Ö. ŞENYURT - R. AKDAĞ İçinden akım geçen bir sargı düz bir iletkene göre aynı akım eğerinde çok daha kuvvetli bir manyetik alanın oluşmasını sağlar. Bu sargının içine demir çekirdek yerleştirilirse manyetik alan daha da kuvvetlenir ve sargı ile demir çekirdek elektromıknatıs haline gelir. Manyetizmanın en temel kanunu aynı kutupların birbirini itmesi ve farklı kutupların birbirini çekmesidir. Sürekli mıknatıslar çubuk, at nalı ve disk gibi değişik şekillerde elde edilebilirler. Aslında sürekli mıknatıslar gerçekten sürekli değildirler ve zamanla mıknatıslanma özelliklerini kaybederler. Mıknatıslanmış bir malzeme manyetik malzemelere yaklaştırıldıklarında manyetik indüksiyon oluşur. Sol el kuralı; akım taşıyan bir iletken etrafındaki manyetik alan yönünü belirlemek için kullanılır. Buna göre akım taşıyan iletken sol el ile kavrandığında ve dışa açılan baş parmağın yönü iletkenden akan akımın yönü ile aynı olduğunda iletkeni çevreleyen diğer dört parmağın yönü manyetik alanın yönünü gösterecektir. Sol el kuralı elektromıknatısların kutuplarını belirlemek için de kullanılabilir. Buna göre elektromıknatısın sargısı parmakların yönü sargıdan geçen akımın yönü ile aynı olacak şekilde sol el ile kavrandığında dışa açılan baş parmağın yönünün gösterdiği sargı ucu kuzey kutbudur. Elektromıknatısların gücünü etkileyen etkenler şunlardır: sargının sarım sayısı , sargının uzunluğu, sargıdan geçen akımın değeri, çekirdeğin türü ve sargının kesit alanı. Manyetizma ile ilgili bazı önemli terim ve birimler şunlardır: Akı, weber, tesla, manyeto-motor-kuvvet, manyetik alan yoğunluğu , manyetik geçirgenlik ve bağıl geçirgenlik. Manyetik ve elektrik devrelerinin parametreleri karşılaştırılarak ohm kanunu manyetik devrelere uyarlanabilir. Buna göre manyetik bir devreden akan akının miktarı, manyeto motor kuvvet ile doğru , akının arttığı yolun manyetik direnci (relüktansı) ile ters orantılıdır. Çekirdek malzemelerin manyetik ve elektrik özellikleri ile birbirilerinden ayrılır. Sözgelimi bazı malzemeler daha düşük mıknatıslanma seviyelerinde doymaya giderler. İdeal bir çekirdek malzemesi yüksek manyetik geçirgenliğe sahip olan, sargısından geçen akım sıfır olduğunda mıknatıslanmasını tamamen kaybeden, kolayca doymaya gitmeyen ve Eddy akımlarının yol açtığı I2.R kayıpları küçük olan malzemelerdir. Verilen bir manyetik alan tarafından üretilen akı yoğunluğu ile manyetik alana sokulan malzemenin manyetik geçirgenliği arasında önemli bir ilişki vardır. Vakum şartlarında bu ilişki şu şekilde ifade edilir. 0=B / H , B=0 x H , H=B / 0 . Burada 0 vakumun manyetik geçirgenliği, B akı yoğunluğu ve H’ de manyetik alan yoğunluğudur. Elektromıknatısın sargısından değişken akım geçtiğinde mıknatıslanma kuvveti ile akı yoğunluğu arasında bir geri kalma olayı vardır. Bu durum B-H eğrisi ile gösterilir veya histerezis döngüsü olarak bilinir. Bu çizgilerden kalıcı mıknatıslık ta belirlenebilir. Faraday Kanunu şunu anlatır: İletkenlerle manyetik akı çizgileri arasında bağıl bir hareket varsa ve 10 8 akı çizgisi bir iletken tarafından her saniye kesiliyorsa veya bir iletkeni saniyede 108 akı çizgisi kesiyorsa iletkende 1V’luk gerilim indüklenir. Diğer bir ifade ile indüklenen gerilimin değeri birim zamanda kesilen kuvvet çizgilerinin sayısı ile doğru orantılıdır. Oluşan bir gerilim veya akım varsa bu akım veya gerilimin yönü ona sebep olan değişime terstir. Bu durum Lenz Kanunu olarak bilinir. Motorlar elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürürler. Generatörler mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürler.
