TÜBİTAK BİDEB GRUP ÇUKUROVA PROJE ADI. Enerji Nakil Hatlarının Çevresinde Oluşan Manyetik Alanın Azaltılması PROJE EKĐBĐ. Ömer ÖZAL PROJE DANIŞMANLARI

Transkript

1 TÜBİTAK BİDEB LİSE ÖĞRETMENLERİ (FİZİK, KİMYA, BİYOLOJİ, MATEMATİK) PROJE DANIŞMANLIĞI EĞİTİMİ ÇALIŞTAYLARI LİSE 3 (Çalıştay 2013) FĐZĐK PROJE RAPORU GRUP ÇUKUROVA PROJE ADI Enerji Nakil Hatlarının Çevresinde Oluşan Manyetik Alanın Azaltılması PROJE EKĐBĐ Ömer ÖZAL Đbrahim Halil AYDIN PROJE DANIŞMANLARI Prof. Dr. Salih ATEŞ Doç. Dr. Vildan BĐLGĐN ÇANAKKALE 02 ŞUBAT 10 ŞUBAT

2 ĐÇĐNDEKĐLER 1. PROJENĐN AMACI GĐRĐŞ MATERYAL VE YÖNTEM BULGULAR SONUÇ VE TARTIŞMA TEŞEKKÜR KAYNAKLAR GRUP ÜYELERĐNĐN ÖZ GEÇMĐŞLERĐ

3 1. PROJENĐN AMACI Bu proje çalışması, günlük yaşantımızın ayrılmaz kullanım alanları olan çok büyük binaların (hastaneler, alışveriş merkezleri, havaalanları gibi.) elektrik iletim hatlarından kaynaklanan ve insan sağlığı üzerinde olumsuz etkilere sahip manyetik alanın şiddetini azaltabilmek ve zararsız seviyeye getirebilmek için alternatif yöntemler ve malzemeler belirlemektir. 2. GĐRĐŞ 2.1.Manyetik alan Elektrik alanı, bir gözlemciye göre duran yüklerin (parçacıkların) oluşturduğu bir alan çeşidi olarak karşımıza çıkarken, manyetik alan ise bir gözlemciye göre düzgün doğrusal (ivmesiz) hareket eden yüklerin (parçacıkların) oluşturduğu bir alan olarak karşımıza çıkmaktadır. Manyetik alan da elektrik alanı gibi vektörel (büyüklüğü ve yönü olan) bir nicelik olup, manyetik alan vektörü, B simgesiyle gösterilir. B manyetik alan vektörünün yönü, yüklerin hareket yönüne diktir. Manyetik alan çizgileri, elektrik alan çizgilerinin aksine bir yükte başlayıp diğer bir yükte son bulmazlar. Aksine, manyetik alan çizgileri kendi üzerine kapanan eğriler oluştururlar. Bunun yanı sıra Şekil 1 de verildiği gibi, elektrik alan çizgilerinde olduğu gibi birbirlerini kesmezler. Elektrik akımının kaynağı belli bir yöne hareket eden serbest elektronlar olup, elektrik akımının yönü elektronların (eksi yüklerin) hareket yönü değil artı yüklerin hareket yönü olarak kabul edilir ve tüm teoriler ve hesaplar artı yüklerin hareket yönüne göre çözülür. Manyetik alan çizgilerinin sıklığı, akım geçen telden radyal uzaklığın karesiyle ters orantılı olarak azalır [1]. Şekil 1: Manyetik alan çizgileri 3

4 Manyetik alan şiddetinin yönünü belirlemek için, bilimsel otoritelerce kabullenilmiş ve diyagramı Şekil 2 de verilen sağ el kuralı kullanılmaktadır. Sağ el kuralına göre; sağ el başparmağımız akım yönünü gösterecek şekilde teli kavradığımızda diğer dört parmağımız manyetik alanın yönünü gösterir. Manyetik alan, günlük yaşamımızda her yerde karşımıza çıkmaktadır. Üzerinden akım geçen her iletken maddenin etrafında manyetik alan oluşur. [1]. Şekil 2: Üzerinden akım geçen iletken tel etrafında oluşan manyetik alan 2.2.Elektromanyetik Ne Peki? Manyetik alanın ve elektrik alanın kaynağı, her zaman olduğu ve olacağı gibi yüklere bağlıdır. Eğer bir gözlemciye göre yüklü parçacıklar hareket etmiyorsa, orada sadece elektrik alan vardır. Eğer yükler hareket halindeyse, gözlemciye göre yüklü parçacıkların hareketinden ötürü, elektrik alanın yanı sıra bir de manyetik alanın etkisini de hissedecektir. Faraday ve Maxwell, bu olguların yüklerin gözlemcilere göre hareketlerinden kaynaklandığını ve zamana bağlı olarak değişen manyetik alanın bir elektrik alan oluşturacağını ve aynı zamanda, zamana bağlı olarak değişen elektrik alanın n bir manyetik alan oluşturacağını bulup formüle etmişlerdir. Elektromanyetik alan, aslında manyetik alanla elektrik alanının birleştirilmiş asıl halidir. [1]. 2.3.Maddenin Mıknatıslık Özelliği Bazı maddeler neden mıknatıslık özellikleri kazanır? Doğal mıknatıslar nasıl oluşur? Mıknatıslık özelliği i maddeden maddeye nasıl değişir? Maddenin mıknatıslık özelliği nasıl yok edilir? Bazı metaller mıknatıslık özelliği gösterirken bazı metaller neden bu özelliği göstermez? Demir, kobalt, nikel, gadolinyum ve disproziyum gibi elementler güçlü mıknatıslık özellikleri gösterebilirler. Demir, mıknatıslık özelliği yokken bile bir mıknatısın manyetik alanına tabi tutulduğunda mıknatıslık k özelliği kazanır. Bunun nedeninin açıklanması için maddenin atomik boyutta incelenmesi gerekmektedir. [1]. 4

5 Şekil 3 te verildiği i gibi atom çekirdeği etrafında dönen elektronlar, sanki bir tel üzerinde hareket eden yükler gibi (bir sarımlık bobin veya tel halka gibi) manyetik alan oluştururlar. Şekil 3: Atomların manyetik momenti. Elektronların n yörünge hareketi sonucu oluşturdukları bu manyetik alana atomların manyetik dipol momenti denir. Eğer ki yörüngede zıt yönde hareket eden bir çift elektron varsa, bu atomun manyetik dipol momenti sıfır olur. Yörüngelerinde tek sayılı elektronlar (çiftlenmemiş elektronlar) bulunduran maddeler, küçük mıknatıslar gibi davranırlar. Bazı maddelerde bu küçük atomik mıknatısların n manyetik dipol momentleri her yöne doğru rasgele dağılmıştır. Bu dağılım sonucu yöne bağlı (vektörel) toplam manyetik dipol momentleri, birbirlerini nötrleyerek sıfır manyetik alan oluştururlar. 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. Büyük bir çoğunlukla manyetik dipol momentleri aynı yöne bakan bu atomların yöne bağlı (vektörel) toplam manyetik dipol momentleri maddenin kendi oluşturduğu u manyetik alana eşittir. Artık elimizde kendimizin oluşturduğu bir mıknatıs bulunmaktadır. Atomların dizilişleri ne kadar düzgünse maddenin manyetik alanı da o kadar güçlüdür. Doğal mıknatısların n oluşumu da buna benzemektedir. Manyetik özelliklerine ine göre maddeler üç sınıfa ayrılır. r. Bunlar ferromanyetikler, paramanyetikler ve diamanyetiklerdir. [1] Ferromanyetikler Yukarıda anlatıldığı gibi 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. [1]. 5

6 Paramanyetikler Paramagnetizma, çift halinde bulunmayan tek sayılı elektronlara sahip atomların manyetik dipol momentlerinin özelliğidir. Dışardan uygulanan bir manyetik alan yokken ve termal koşullara bağlı olarak, maddenin atomlarının öz 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, alüminyum ve bakır oksittir. Sıvı oksijen bir U mıknatısı uçları arasına döküldüğünde sıvı oksijenin mıknatısın uçları arasında toplandığı gözlenir. Aynı olay sodyum ve bakır klorid içinde belli sıcaklıklarda geçerlidir. [1] Diamanyetikler Diamanyetik maddelerin atomlarındaki çiftleşmemiş elektronlar, dışarıda bir manyetik alan oluştuğunda Lenz kanuna (indüksiyon akımı kendisini oluşturan akıma karşı koyacak yönde bir manyetik alan oluşturur) göre, elektronları dış manyetik alanın ters yönünde bir manyetik alan oluşturacak şekilde hızlarını artırırlar. Hızlarının artması yörünge çevresinde dönerken oluşan akımın artması demektir. Bunun sonucu olarak atomların toplam oluşturdukları manyetik alan ve dış manyetik alanın vektörel (yöne bağlı) toplamlarının oluşturduğu net manyetik alanın şiddeti, etki eden manyetik alandan daha azdır. (Bu etki dielektrik maddelerin elektrik alana karşı oluşturdukları etkiye benzer). [4]. Bakır, kurşun, grafit gibi elementler, diamanyetik maddelere en iyi örnekleri oluştururlar. Mıknatıslık özelliği gösteren maddelerin atomlarının dizilişi (öz manyetik dipol momentlerinin dizilişleri) belli bir yöne doğrudur. Eğer atomların konumları belli bir dış etkiye (ısı, fiziksel darbe, vs.) değiştirilirse, manyetik özellikleri yok edilebilir. 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. [4]. Son 50 yıl içinde Şekil 4 te verilen elektromanyetik spektrum birçok bölümündeki enerji türleri günlük yaşantımızda birer birer kullanılmaya başlanmıştır. Bunların yanında bir de evlerimizdeki elektrikli aletlerin, onların kablolarının, iş ve büro makinelerinin, elektrik iletim ve dağıtım hatlarının, bilgisayar ekranlarının vb. oluşturduğu elektromanyetik alanlar vardır. Her geçen gün biraz daha fazla elektromanyetik alan ve dalgaların etkisine maruz kalmaktayız. Bu durumda insan sağlığı üzerinde olumsuz etki oluşturmaktadır. Dünyada ve özellikle de büyük kentlerde tam bir elektromanyetik kirlilik egemen olmuştur. Doğal ortamda olabilecek eşik düzeyin çok üstündeki bu alanların insan sağlığı üzerindeki olumsuz etkileri son yıllarda bilim adamlarının sürekli olarak tartıştıkları bir konudur. Bu konuda Dünya Sağlık Örgütü nün (WHO) noniyonize radyasyondan korunması alanında çalışan bir sivil toplum örgütü olarak Uluslararası Noniyonize Radyasyondan Korunma Komisyonunu (ICNIRP) resmi olarak tanımıştır. [2]. 6

7 ICNIRP ultraviyole radyasyon, görünür ışık, kızılötesi radyasyon, radyo dalgaları ve mikro dalgalarını da içine alan tüm elektromanyetik alanlardan etkilenme limitlerini belirleyen uluslararası bir kılavuz hazırlamıştır. Her ne kadar farklı frekanslarda ve etkilenme düzeylerinde çeşitli biyolojik etkileri gözlenmiş ş olsa da, elektromanyetik dalgaların tehlikeli mi yoksa güvenilir mi olduğu konusunda ki çelişki sürmektedir. [2]. Günlük yaşantımızda kullandığımız elektrikli cihazların çevreye yaydıkları frekanslar ve dalga boyları farklılık göstermekte olup, bu durum Şekil 4 de verilmiştir. Verilere göre cihazların çalışma frekansları ile dalga boylarının ters orantılı olarak arttığı ı gözlenmektedir. Şekil 4: Elektromagnetik spektrum 7

8 Elektrikli cihazların etrafa yaydıkları elektromanyetik alan değerleri uzaklıklara göre farklılık göstermektedir. Bu etki cihazdan uzaklıkla ters orantılı olduğu ölçülmüştür. Ölçüm değerleri Tablo 1 de verilmiştir. [4]. Tablo 1: Evsel aletler ve tipik manyetik alanlar (mikrotesla ) [3]. Cihaz / Uzaklık d = 10 cm d = 30 cm Elektrik süpürgesi d > 1m Ütü Çamaşır Makinası Saç Kurutma Makinası Elektrik Traş Makinası Mikser Kahve Makinesi Fotokopi makinası Dünya ülkeleri elektrik alan ve manyetik alan değerleri standartlarla belirlemiştir.bu değerler ortamlara göre (hassaslık değerleri) farklılıklar göstermektedir.bu durum tablo 3 te verilmiştir. Tablo 3: Dünya ülkeleri standart elektromanyetik değerleri. [3]. Düzenleme Ülke Elektrik alan ( kv/m ) Danimarka, İsveç, Norveç, Estonya İngiltere, Hollanda Belçika Fransa, Almanya, Hırvatistan,İspanya, İrlanda, Litvanya,Avustralya Manyetik alan ( A/m 2 ) Açıklamalar Herhangi bir yönetmelik yok ancak AB tavsiyesi referans alınıyor. İngiltere,Hollanda,İsveç gibi kimi ülkelerde kurulan ulusal komiteler kendi tavsiyelerini oluşturuyor. 5 kv/m Yerleşim bölgeleri 5 kv/m 100µT Yunanistan 4 kv/m 80µT İsviçre Slovenya İtalya 5 kv/m 5 kv/m Hassas bölgeler için 500 V/m 5 kv/m Türkiye 10 kw/m 640µT - 100µT Okullar,hastaneler,huzurevleri gibi hassas bölgeler için 1µT 100µT hassas bölgeler için 10µT 100µT 100µT(4 saat/gün ortalaması) 3µT(4 saat/gün ortalaması) Manyetik alanlara ilişkin herhangi bir yönetmelik yok 0,8 katsayısı ile ICNIRP değerleri Hassas bölgeler için geçerli olan limit yanlızca yeni tesislere uygulanıyor Hassas bölgeler için geçerli olan limit yanlızca yeni tesislere uygulanıyor Dikkat değerleri tüm yaşam alanlarına ve mevcut tesislere uygulanıyor.kalite değerleri yaşam alanları ve yeni tesisler uygulanıyor TSE tarafından belirlenmiş standarttır.ayrıca BTK tarafından belirlenmiş bir yönetmelik bulunmaktadır. 8

9 Bu proje kapsamında elektrik iletim hatları etrafında oluşan elektromanyetik akı şiddetini azaltmak için farklı manyetik özelliklere sahip maddeler kullanılarak manyetik izolasyon oluşturulmaya çalışılmıştır. 3. MATERYAL VE YÖNTEM 3.1. Kullanılan Materyaller 1. 1 m uzunluğunda anten kablosu. 2. 1m uzunluğunda elektrik kablosu. ( 2,5 luk tek damarlı tek hatlı ) 3. DC güç kaynağı ( 24 Volt- 20 Amper ) 4. Teslametre ( Android işletim sistemli akıllı telefonlar tarafından desteklenen androsensor yazılımı ) 5. Bağlantı kabloları. 6. Alüminyum folyo 3.2. Devrenin Hazırlanışı Ölçüm yapacağımız iletken bir platform üzerine monte edildi. Platform kurulduktan sonra DC güçkaynağına seri bağlanan iletken üzerinden 20A lik akım geçirilerek iletken etrafında oluşan manyetik alan Teslametre ile ölçüldü. 9

10 Bu değerler farklı maddelerle kaplanan iletken için ayrı ayrı ve farklı uzaklıklarda ölçüm yapıldı. Okunan bu değerlerle tablo oluşturuldu. 3.3.Yöntem Laboratuvarda bulunan Teslametre ile Akıllı telefon uygulaması olan Androsensor adlı yazılımı ölçüm değerleri karşılaştırıldı ve aynı değerler elde edildi. Ancak Teslametre mt mertebesinde ölçüm yapabilirken, Androsensor yazılı ile µt mertebesinde ölçüm yapılabildiği için ölçümlerimizi telefonla yapmayı kararlaştırdık. 10

11 Bakır iletken tel üzerinden 3 farklı durumda 20A akım geçirilerek veriler alındı. 1. Yalıtkan malzeme ile kaplı iken 2. Alüminyum folyo ile kaplı iken 3. Bakır alaşımlı iletken örgü ekran ile kaplı iken Sonuçlar değerlendirildiğinde projenin hedeflenen (akım geçen iletken tel etrafındaki manyetik alanın etkisinin yalıtılmasıyla azalacağı) sonuca varıldığı görülmüştür. 4. BULGULAR Çizelge 1: 2,5 luk tek faz tek damarlı elektrik kablosu ( 15V, 20 A ) ile elde edilen değerler. İletken ile teslametre arası uzaklık Teslametreden okunan değer ( cm ) ( µt ) Çizelge 2 :1,5 luk tek faz tek damarlı folyo kaplı elektrik kablosu (15 V, 20 A) ile elde edilen değerler. İletken ile teslametre arası uzaklık ( cm ) Teslametreden okunan değer ( µt ) Çizelge 3: Sadece dış plastik aksamı soyulmuş olup hasır ve alüminyum folyo ile kaplı anten kablosu ( 15 V, 20 A ) ile elde edilen değerler. İletken ile teslametre arası uzaklık ( cm ) Teslametreden okunan değer ( µt )

12 Çizelgedeki değerler yardımıyla aşağıda verilen elektromanyetik alan uzaklık grafiği elde edildi Elektromanyetik Alan µt Yalıtkan Kaplamm Alüminyum Kaplama Bakır Alaşım Örgü Uzaklık (cm) 5. SONUÇ VE TARTIŞMA Yaptığımız çalışmada farklı malzemelerle kaplanan iletkenlerden belirlenen akım değeri geçtiğinde, iletken etrafında oluşan manyetik alan değerlerinde beklentilerimize cevap verecek şekilde bir değişim gözlenmiştir. Diyamanyetiklik, manyetik ters yönelmesi olarak ifade edilebilir. Diyamanyetik maddeler, herhangi bir mıknatıs tarafından, o mıknatısın manyetik alanı içerisindeyken manyetik alan çizgilerine zıt yönde mıknatıslaştırılmaya uğrayabilen Cıva, Altın, Bakır, Bizmut, Elmas, Gümüş, Kurşun, Silikon vb. gibi maddelere denir. Ve kendisini mıknatıslaştıran cisim tarafından itilirler. Manyetik alan yayılım frekansına göre moleküler çapta ters yönlenme eğilimi gösterirler. Bir mıknatısa yaklaştırıldığında kuzey kutbu gören maddenin yakın tarafı kuzey kutbu olarak yönelecektir. Su da bu yapıya sahip maddelerden biridir. [1]. Çalışmamız sonucunda elektrik nakil hatlarının kaplanması ile büyük binalarda elektrik akımından dolayı oluşan manyetik alan şiddetinin azaltılabilmek için en önemli materyallerin diamanyetik maddeler olduğu düşünülmüştür. Manyetik alan içinde manyetik alan yayılım frekansına göre moleküler çapta ters yönlenme eğilimi göstermesi dış manyetik moment yönüne zıt yönde bir manyetik momentin oluşmasına sebep olduğundan dış enerjinin bir kısmının moleküler çapta iç enerjiye dönüşümü söz konusudur. 12

13 Deneysel veriler göz önünde tutulduğunda elektrik iletim hatlarının olduğu elektromanyetik alanın azaltılabileceği sonucuna varılmıştır. Deneylerimizde maliyet ve performans olarak iki materyal öne çıkmıştır. Biri bakır alaşımlı örgü, diğeri ise alüminyum levhadır. Bu yöntemin en gereksinim duyulduğu bölgeler, büyük bina tesislerdeki ana iletim hatlarıdır. Çok sayıda kablonun bir demet halinde binaya dağılması etrafında büyük miktarda elektro manyetik alanın oluşmasına sebep olduğu tespit edilmiştir. Malzemelerimiz mevcut piyasa koşullarında bulunabilen malzemeler olduğundan, daha farklı materyallerin özelliklerine bakılamamıştır. Ayrıca kaplama için kullanılan malzeme topraklama yapıldığında manyetik indükleme ile oluşan potansiyel farkın nötrlenmesi ile daha iyi performans alınabileceğini düşünüyoruz. 6. TEŞEKKÜR May Çalıştayları koordinatörü Prof. Dr. Mehmet AY a, ve proje kapsamında engin bilgileriyle bize yardımcı olan danışmanlarımız Prof. Dr. Salih Ateş e, Doç.Dr. Vildan BĐLGĐN e, Teknisyen Arş.Gör. Sezen ÇĐÇEK APAYDIN a ve tüm çalıştay ekibine, konuk katılımcılara ve katkılarından dolayı TÜBÜTAK a teşekkür ederiz. 7. KAYNAKLAR 1-) ÇINAR k. Elektromanyetik alan BĐLĐM ve TEKNĐK, 80-81, Ağustos ) KOŞALAY i, VII. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, UTES Aralık 2008, Đstanbul 3-) ICNIPR Guidelines, Guidelines for limiting exposure time varying electric, magnetic and electromagnetic fields, Health Phy, 74 (1998) ) 05/02/

14 8. GRUP ÜYELERĐNĐN ÖZGEÇMĐŞLERĐ Đbrahim Halil AYDIN ( Đclal Ekenler Kız Teknik ve Meslek Lisesi MERSĐN ) 1972 yılında Şanlıurfa Siverek te doğdu. Đlkokul ve ortaokulu Siverek te okudu. Liseyi Đstanbul - Tuzla Teknik ve Meslek Lisesi nde tamamladı. Üniversiteyi Dicle Üniversitesi Eğitim Fakültesi Fizik bölümünde okudu ve 1996 yılında mezun oldu.1996 yılında Mersin ili Mut ilçesinde Sınıf öğretmeni olarak göreve başladı yılları arasında Siverek te çalıştı.2003 yılında Mersin ili Tarsus ilçesinde Fizik Öğretmeni olarak tayin edildi. Halen aynı ilçede Đclal Ekenler Kız Teknik ve Meslek Lisesinde Fizik öğretmeni olarak görevine devam etmektedir. Evli ve 2 çocuk babasıdır. Ömer ÖZAL ( Yeşilevler Endüstri Meslek Lisesi ADANA ) 1973 yılında Berlin de doğdu. Đlkokul ortaokulu ve liseyi Hatay Antakya da okudu. Üniversiteyi Dicle Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Fizik bölümünde okudu ve 1997 yılında mezun oldu yılında Hakkari ili Çukurca ilçesinde Sınıf göreve başladı yılları arasında Hatay da çalıştı yılında Milli Eğitim Bakanlığından istifa edip Adana da Kavram Dersanelerinde çalıştı yılında açıktan atama ile tekrar kamuya geçip Kayseri ili Tomarza ilçesine atandı. Halen Adana Yeşilevler Teknik ve Endüstri Meslek liseinde görev yapmaktadır. Evli ve 2 çocuk babasıdır. 14