16. ÜNİTE MANYETİK ALAN VE İNDİKSİYON KONULAR 1. MIKNATISLAR VE MIKNATISLANMA 2. MANYETİK ALANIN MEYDANA GELİŞİ 3. ELEKTRİK ENERJİSİNİN MEYDANA GELİŞİ 4. SAĞ VE SOL EL KURALI 5. BİR MANYETİK ALAN İÇİNDE AKIM GEÇEN İLETKENE TESİR EDEN KUVVET VE DOĞRU AKIM ELEKTRİK MOTORLARININ ÇALIŞMA PRENSİBİ
16.1. MIKNATISLAR VE MIKNATISLANMA Demir, nikel, kobalt gibi metalleri çekme özelliği gösteren metallere mıknatıs dendiğini biliyoruz. Mıknatıslar doğal ve yapay olmak üzere iki çeşittir. Doğal mıknatıs, demirin (Fe) oksijenle (O 2 ) oluşturduğu Fe 3 O 4 bileşiğidir. Yapay mıknatıslar ise demir, nikel, kobalt gibi malzemelerin alaşımlarının mıknatıslandırılması (mıknatıs etkisine sokulması) ile elde edilir. Mıknatısın etkisinin görüldüğü alana manyetik alan denir. Manyetik alan, kuvvet çizgileri şeklinde de ifade edilir. Dünyamız da kendisini çevreleyen bir manyetik alana sahiptir ve pusulanın çalışmasını bu alana borçluyuz (Resim 17). Üzerinden akım geçirilen iletkenlerde de manyetik alan oluşmaktadır. Elektrik akımının manyetik etkisinin kullanım alanı oldukça geniştir. Gerilim dönüştürücü ve daha başka amaçlı trafolar, elektrik motorları, haberleşme sinyallerinin üretimi, iletimi ve alınması, indüktif sensörler, mikro dalga uygulamaları, elektrik akımının manyetik etkisini kullanır. Sektörel anlamda, enerji, haberleşme, güvenlik, tıp vb. alanlarda kullanımı yaygındır. Resim 16.1 Farklı tipte mıknatıslar ve yer kürenin manyetik alanı 16.1.1. Manyetik Maddeler Manyetik alandan etkilenen ya da manyetik alanı etkileyen maddelere manyetik maddeler denir. Demir gibi yumuşak malzemeler kolay mıknatıslanırlar ancak mıknatıs etkisinden uzaklaşınca manyetik (mıknatıs) özelliklerini kolay kaybederler. Nikel ve kobalt gibi sert malzemeler ise daha zor mıknatıslanırlar ancak mıknatıslık özelliklerini yumuşak malzemelere göre daha uzun süre koruyabilirler. Alüminyum, nikel ve kobaltın alaşımından yapılan yapay mıknatıs ise mıknatıslandıktan sonra bu özelliğini hiç kaybetmez. 215
Manyetik maddeler özelliklerine göre üç başlık altında incelenebilir. 16.1.1.1 Ferromanyetik Madde Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1 den çok büyük olan maddelerdir. Böyle maddeler manyetik alana konursa mıknatıslanırlar ve bölgedeki manyetik alan şiddetini alırlar. Kobalt, nikel, demir gibi maddeler ferromanyetik maddedir. 16.1.1.2 Paramanyetik Madde Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1 den biraz büyük olan maddelerdir. Bunlar manyetik alana konursa çok az mıknatıslanırlar ve bulundukları bölgede alan şiddetini biraz arttırırlar. Alüminyum, manganez gibi maddeler paramanyetik maddedir. 16.1.1.3 Diyamanyetik Madde Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1 den biraz küçük olan maddelerdir. Bunlar manyetik alana konulduklarında alana zıt yönde ve zayıf olarak mıknatıslanırlar. Bulundukları bölgedeki manyetik alan şiddetini azaltırlar.bakır, gümüş, bizmut ve karbon gibi maddeler diyamanyetik maddelerdir 16.1.2 Manyetik Olmayan Maddeler Manyetik alandan etkilenmeyen maddelere manyetik olmayan maddeler denir. Manyetik olmayan maddeler, kağıt, lastik, plastik, cam, mika, seramik, tahta vb. şeklinde sıralanabilir. 16.1.3 Mıknatıs Kutupları Mıknatısın itme ya da çekme kuvvetinin en yoğun olduğu bölgeler, mıknatısın kutuplarıdır. (Şekil 64) Bir mıknatısın N (North) ve S (South) olmak üzere iki kutbu vardır. Bir mıknatıs parçalara bölündükçe her bir parça yine iki kutuptan oluşan bir mıknatıs özelliği gösterir. Şekil 16.1 Mıknatıs kutupları ve kuvvet çizgileri 216
Farklı iki mıknatıs birbirlerine yaklaştırıldığında aynı kutupların (N-N ya da S-S) birbirini ittiği, zıt kutupların (N-S ya da S-N) ise birbirlerini çektiği görülür (Şekil 16.2). Şekil 16.2 Mıknatıs kutupları ve aralarındaki kuvvetlerin yönü 16.2. MAYNETİK ALANIN MEYDANA GELİŞİ 16.2.1. Manyetik Alan Manyetik alan, bir mıknatısın kuvvetinin etkili olduğu alandır. Bu etki, bir mıknatısın etrafına demir tozları döküldüğünde tozların, kutupların bölgesinde yoğun olmak üzere mıknatısın etrafında çizgiler meydana getirmesinden anlaşılır. Bu nedenle manyetik alan, alan çizgileri ya da manyetik kuvvet çizgileri şeklinde de ifade edilmektedir (Resim 16.2). Resim 16.2 Mıknatıslar ve etraflarındaki çizgiler 16.2.2. Yerkürenin Manyetik Alanı Bir mıknatıs, ortasından bir ip ile bağlanarak serbest bırakıldığında bir ucu kuzey, diğer ucu güney yönünü gösterir. Yön bulmaya yarayan bu tür mıknatısla- 217
ra pusula denir. Pusula iğnesi de bir mıknatıstır. Pusulanın sürekli aynı doğrultuyu gösterecek şekilde sapması, yerin mıknatıslık özelliğinden kaynaklanır. Yerkürenin çeşitli yerlerinde yapılan deneylerde pusula iğnesinin yaklaşık hep aynı doğrultuyu gösterdiği belirlenmiştir. Bu nedenle yerkürenin daimi bir çubuk mıknatıs özelliği gösterdiği söylenebilir. Pusula ibresinin kuzey kutbu, kuzeye yöneldiğinden yerkürenin kuzeyinde bir güney mıknatıs kutbu, güneyinde de kuzey mıknatıs kutbu vardır. Ancak Dünya nın değişik noktalarında yapılan deneylerde pusula iğnesinin tam olarak kuzey ya da güney kutuplarını göstermediği belirlenmiştir. Bu nedenle yerkürenin coğrafi kutupları ile manyetik kutupları aynı noktalarda çakışmaz. Yerin manyetik kutupları ile coğrafi kutupları çakışık olmadığından pusula ibresi ile coğrafi kuzey güney doğrultusu arasında bir açı vardır. Bu açıya sapma açısı denir. Sapma açısı, bulunulan konuma göre doğuya ya da batıya doğru olur Ayrıca sapma, yıllara ve mevsimlere göre de değişir. Mıknatısınızın gösterdiği yöne, sapma açısını hesaplamadan gitmeye kalkarsanız, gitmek istediğiniz noktaya varamazsınız. Resim 16.3 Dünyanın manyetik alanı 16.2.3. Manyetik Kuvvet Çizgilerinin Özellikleri Kuvvet çizgileri kapalı bir devre oluşturacak şekilde ilerlerler. Kuvvet çizgileri birbirlerini iterler (birbirlerine paralel ilerler) ve bu nedenle de kesişmezler. Kuvvet çizgilerinin yönü dışarıda N kutbundan S kutbuna doğrudur. Manyetik kuvvet çizgileri her maddeyi etkilemese de her maddeden geçerler. Zıt yöndeki kuvvet çizgileri birbirlerini zayıflatırlar. 218
Aynı yöndeki kuvvet çizgileri, manyetik alanı kuvvetlendirir. 16.2.4. İletken Etrafında Oluşan Manyetik Alan ve Bunun Zararlı Olduğu Ortamlar Bir iletkenden akım geçirilince iletken etrafında bir manyetik alan oluşur. Tıpkı mıknatısta olduğu gibi bu alanın da itme ve çekme özelliği vardır. İletken etrafında oluşan alanın yönü sağ el kuralı ile bulunur. Kurala göre iletken avuç içine alacak şekilde tutulduğunda ve başparmak akımın yönünü, kalan dört parmak ise iletkende oluşan manyetik alanın yönünü gösterir (Şekil 16.3). Girişte de değinildiği gibi elektrik akımının manyetik etkisinden faydalanma alanları oldukça fazladır. Buna karşın birçok zararlı etkileri de söz konusudur. Manyetik alanın ve elektrik alanının yaydığı dalgalara elektromanyetik dalga denmektedir. Bazı dalgaların canlılar üzerinde birtakım olumsuz etkileri olmaktadır. Halâ tartışmalar sürse de bu dalgaların insanın bağışıklık sistemini zayıflattığı ve kanser türü hastalıklara neden olduğu söylenmektedir. Şekil 16.3 İletken etrafında oluşan manyetik alan ve sağ el kuralı Bir sistemin manyetik alanı, iyi bir manyetik yalıtım yapılmazsa başka sistemlerin çalışmasını olumsuz etkileyebilir. Örneğin, televizyon ya da bilgisayarın yanında cep telefonu faaliyete geçince hem parazit sesleri duyulur hem de ekran görüntülerinde bozulmalar olur. Benzer şekilde, yakından geçen bir arabanın yaydığı manyetik alanlar sonucu radyonun alıcı devresini etkilemesi ve üretilen seslerin bozulması da bir örnek olabilir. Özellikle elektronik yöntemlerle hassas sistemlerde ve hassas ölçümlerin yapıldığı yerlerde bu etki sakıncalı sonuçlar doğurabilir. Örneğin, birtakım önlemler sonucunda cep telefonları birçok ulaşım aracında kullanılabilse de hala cep telefon- 219
larının kullanımının sakıncalı (yasak) olduğu toplu taşıma araçları bulunmaktadır. Manyetik alanın sakıncalarını maddeler halinde sıralayacak olursak: Canlı metabolizmasını bozarak halsizlik, yorgunluk ve bir takım hastalıklara sebebiyet verebilir. Ölçüm cihazlarını etkileyerek yanlış ölçümlere neden olabilir. Bazı elektronik cihazların çalışmaları üzerinde olumsuz etkileri görülebilir. 16.2.5. Elektromıknatıs ve Kullanım Alanları Elektromıknatıs, bir manyetik nüve ve nüvenin üzerine sarılan bir bobinden oluşur. Bir iletkenden akım geçirildiğinde etrafında bir manyetik alanın oluştuğunu biliyoruz. Bir bobinden akım geçirildiğinde ise etrafında daha güçlü bir manyetik alan oluşur ve bu alan, nüve üzerinden dolaşarak nüvenin mıknatıs özelliği göstermesini sağlar. İletken telin üst üste sarılmasının nedeni birim alandaki manyetik alan şiddetini artırmaktır, çünkü oluşan manyetik alan miktarı telin boyu ile doğru orantılıdır. Düz bir elektromıknatısta alanın yönü sağ el kuralına göre bulunur. Sağ elin dört parmağı akımın yönünü gösterecek şekilde tutulduğunda başparmak alanın yönünü (N kutbunu) gösterir (Şekil 16.4). Şekil 16.4 Elektromıknatıs ve manyetik alanı - sağ el kuralı Elektromıknatıslar, evlerde iletişim araçlarının mikrofon ve hoparlörlerinde, çamaşır makinesi, buzdolabı gibi cihazların motorlarında, birçok elektronik cihazın 220
adaptörlerinde, kaçak akım ve aşırı akım rölelerinde, sigortalarda, kumandanda röleleri ve kontaktörlerde vb. yerlerde kullanılır (Resim 16.3-Resim 16.4). Elektromıknatısın kullanım alanlarından bazılarını aşağıdaki gibi sıralayabiliriz. Radyo, televizyon, müzik çalar gibi cihazların hoparlörlerinde, mikrofonlarda, Resim 16.4 Elektromıknatısın çeşitli cihazlarda kullanımı Evlerdeki tokmaklı kapı zilinde; buzdolabı, çamaşır makinesi gibi cihazların motorlarında, araba marş motorlarında, evlerde, iş yerlerinde ve endüstrinin hemen her kolunda kullanılan çok değişik tipteki motorlarda, Evlerdeki adaptörlerin trafolarında, enerji iletiminde kullanılan gerilim dönüştürücü trafolarda ve yine hemen her cihazda kullanılan gerilim uygunlaştırıcı trafolarda kullanılır. Ölçme (ölçme alanını genişletme) amaçlı trafolar da kullanılabilir. Resim 16.5 Elektrik motorunda elektromıknatıs Koruma amaçlı röleler, şalterler ve kumanda amaçlı röle ve kontaktörlerde, sigortalarda kullanılır. Haberleşmede ses ve görüntü iletiminde, 221
Arama ve güvenlik amaçlı endüktif dedektörlerde, Hızlı (manyetik) trenlerde, Metal ayıklama sistemlerinde ve vinçlerde, Atom laboratuarlarında parçacık hızlandırıcılarda kullanılır. 16.2.6 Basit Bir Elektromıknatıs Uygulaması Bu uygulamada Resim 21 deki gibi bir elektromıknatıs yapmaya çalışacağız. Deney için hazırlık Uygulama için aşağıdaki malzemeleri hazırlayınız. Bir adet 1.5 V luk pil 15-20 cm uzunluğunda bir çivi ya da yaklaşık ölçülerde demir parçası İki adet 0.50 mm² kesitinde ve 100-150 cm uzunluğunda bir emaye bobin teli kesiniz. (0.75 mm2 kesitinde zil teli de olabilir.) Bir adet doğal mıknatıs Bir miktar topluiğne, cam çivisi ya Deneyin yapılışı: Resim 16.6 Basit bir elektromıknatıs Elektromıknatısı yapmak için aşağıdaki adımları izleyebilirsiniz. 1. Bobin teli kullanıyorsanız tellerin uçlarından 1 cm civarında maket bıçağı ile kazıyarak iletken kısmı ortaya çıkarınız. Zil teli kullanıyorsanız kablo uçlarını yan keski ile 1 cm kadar soyunuz. 222
2. Teli düzgün bir şekilde çivinin ya da metal çubuğun üzerine sarınız. 3. Pili, Resim 16.5 te görüldüğü gibi elde ettiğiniz elektro mıknatısın üzerine yapıştırınız. 4. Bobinin (kablonun) bir ucunu pilin eksi kutbuna (altına) yapıştırınız. 5. Şimdi bir elinizle açıkta kalan bobin ucunu pilin artı kutbuna dokundurarak diğer elinizle elektro mıknatısı metal cisimlere (toplu iğne, ataç, çivi vb) yaklaştırınız. 6. Elektromıknatısı sağa sola, yukarı aşağı hareket ettirerek çekim gücünü anlamaya çalışınız. 7. Bobinin diğer ucunu da bantlayınız (artı uca) ve elektromıknatısınızı çeşitli açılarla doğal mıknatısa yaklaştırınız ve iki mıknatıs arasındaki etkileşimi gözlemleyiniz. Deneyin Sonucu: Manyetik bir malzeme, üzerine iletken tel sarılıp akım geçirildiğinde mıknatıslık özelliği kazanır. Elektromıknatıs çalışır haldeyken doğal mıknatısa yaklaştırıldığında aralarında itme ve çekme gerçekleşir. Bu da elektromıknatısın aktifken tamamen doğal mıknatıs gibi davrandığını gösterir. Akım kesilince elektromıknatısın mıknatıslık özelliği çok kısa bir sürede yok olur. 16.3. ELEKTRİK ENERJİSİNİN MEYDANA GELİŞİ 16.3.1. Gerilim Üretme Yöntemleri Gerilim üretme yöntemlerine elektrik enerjisi üretiminde kullanılan kaynaklar konusunda kısmen değinmiştik. Orada, şebeke enerjisinin elde edilmesinde farklı enerji kaynaklarından nasıl faydalanıldığı gördük. Şimdi, en bilindik yollarla elektrik enerjisinin nasıl elde edildiğine odaklanacağız. Biliyorsunuz, elektrik enerjisi denince akla elektrik akımı gelmekte. Elektrik akımı ise elektrik geriliminden kaynaklanmaktadır. Öyleyse biz herhangi bir yolla elektrik gerilimi elde ettiğimizde bunun anlamı aslında elektrik enerjisi ürettiğimizdir. Şimdi elektrik gerilimini elde etme yöntemlerine bakalım. 16.3.1.1 İndüksiyon (manyetik alan) Yoluyla Lenz Kanunu na göre bir iletken, manyetik bir alan içerisinde hareket ettirilirse bu iletkenin iki ucu arasında potansiyel bir fark oluşur. Aynı şekilde bir manyetik alan 223
bir iletkeni kesecek (görecek) şekilde hareket ettirilirse bu iletkende yine bir elektrik gerilimi oluşur. Resim 16.7 de mıknatıs hareket ettirildiğinde manyetik alanın etkisi ile bobin atomları uyarılır. Bir elektrik alanındaki gibi manyetik alanda da serbest elektronlar bir yönde harekete geçerler. Böylece bobinin bir ucunda negatif, diğer ucunda ise pozitif yüklü atomlar yoğunlukta olur. İletken uçlarındaki bu yük farkına elektrik gerilimi denir ve bu olaya da indüklenme denir. Bobin uçları bir alıcı üzerinden birleştiğinde bobinde indüklenen (oluşan) bu gerilim, devreden akım dolaştırır. Bu şekilde indüklenen gerilimin değeri iletkenin uzunluğuna, manyetik alanın yoğunluğuna (şiddetine) ve manyetik alanın ya da iletkenin hareket hızına bağlıdır. Alan sabitken iletken hareket ettirildiğinde ise iletkenin gerilimini, iletkenin hareket hızı belirler. Bir iletkende indüklenen gerilimin değeri (MKS birim sisteminde) e = B. L. V formülü ile bulunur. Formüldeki değişkenlerin anlam ve birimleri aşağıdaki gibidir. e: İletkende indüklenen emk (V) B: Manyetik akı yoğunluğu (weber/m 2 ) L: İletkenin boyu (m) V: İletkenin hızı (m/sn) Şayet iletkenin hareketi açısal bir karakter taşıyorsa o zaman eşitlik, Resim 16.7 Bir bobinde oluşan gerilim (emk) 224
e = B. L. V.Sinα şeklini alır. Örneğin alternatörlerde gerilimin indüklendiği rotor üzerindeki iletkenler dairesel bir dönüş yaparlar. Dolayısıyla da stator sargılarını 0-360 derecelerde kestiklerinden elde edilen gerilimin formu sinüzoidaldir. Sinüzoidal gerilim elde etmenin diğer bir yolu da sabit kutupların etkisindeki bir iletkeni ya da iletken sarımlarını döndürmektir (Şekil 16.5). Normalde alternatörler çok kuvvetli elektromıknatıslara, çok sarımlı ve kalın tellere sahiptirler. Bu şekilde yüksek miktarlarda enerji üretebilmektedirler. Alternatörler gibi elektrik enerjisi üreten diğer elektrik makineleri de dinamolardır. Dinamolar doğru akım üreten makinelerdir. Şekil 16.5 Alternatör modeli 16.4. SAĞ EL VE SOL EL KURALI 16.4.1 Sağ El Kuralı Bir iletkende gerilim oluşturabilmek endüksiyon prensibine dayanır. Endüksiyon prensibine göre; iletken ve manyetik alanın birbirlerini etkileyecek şekilde konumlandırılıp, en az birinin hareket ettirilmesi sonucunda iletkendeki yükler harekete geçer. Bu olay sonucunda iletkende bir gerilim meydana gelir. İletkende meydana gelen akımın yönü sağ el kuralına göre bulunabilir. şekil 16.6 yı inceleyiniz. Birbirlerine dik tutulan; baş, işaret ve orta parmaklardan, baş parmak hareket yönünü (V), işaret parmağı manyetik alan yönünü (B) gösterecek şekilde tutulursa, orta parmak iletkenden geçecek olan akımın yönünü (I) gösterir. 225
Şekil 16.6 Sağ el kuralı Şekil 16.7 Sağ el kuralının uygulanması Şekil 16.7 de mıknatısın N-S kutupları arasında iletken 1,2,3 ve 4 yönlerinde ayrı ayrı hareket ettirilmektedir. İletkenin bu yönlerdeki hareketi sonucunda iletken üzerinde sağ el kuralına uygun olarak akımlar meydana gelir. Şekil 16.8, 16.9 ve 16.10 te bu akımların oluşumu görülmektedir. Dikkat edilirse şekil 16.10 da akım oluşmamıştır. Sağ el kuralına göre de akım oluşması mümkün değildir. Manyetik alanda hareket ettirilen iletkende akım oluşabilmesi için; iletkenin alan kuvvet çizgileriyle arasında bir kesişme açısı olmalıdır. Şekil 16.10 da iletken, alana paralel hareket etmektedir. 226
Şekil 16.8 İletken 1 yönünde hareket ediyor. Şekil 16.9 İletken 2 yönünde (sayfa düzleminden dışarı) hareket ediyor. Şekil 16.10 İletken 3 ve 4 yönlerinde hareket ediyor. 16.4.2 Sol El Kuralı Motorlar elektrik enerjisinden üretilen elektromanyetik alanı kullanarak mekanik hareket elde eden cihazlardır. Elektrik enerjisini kullanarak hareket enerjisi üretirler. Endüstriyel kontrol sistemlerinin hareket içeren parçaları genellikle motorlardan oluşur. Elektrik motorları kullandıkları gerilim türleri bakımından AC(alternatif gerilim) ve DC (doğru gerilim) olmak üzere iki ana gruba ayrılır. Ayrıca bu iki gruba giren 227
motorların çalışma şekli ve yapıları bakımından farklılık gösterenleri de mevcuttur. Bu modül içinde direkt olarak DC gerilim uygulanarak çalışan motorların ve step (adım) motor yapısını, çalışma şekilleri ile uygulama devrelerini inceleyeceğiz. DC motorların çalışmalarını daha iyi anlayabilmek için önce manyetik alan içindeki iletkenlerin üzerinden akım geçtiğinde neler olduğunu bilmek, ayrıca elektromanyetik alanın özelliklerini anlamak gereklidir. Şimdi bu konuları inceleyelim. Manyetik alan içinde kalmış bir iletken tel üzerinden akım geçerse iletken tel üzerinde bir hareket gözlenir. DC motorların elde ettiği hareket enerjisi bu temel prensibe bağlıdır. DC motorlar bu fizik prensibi ile iletken telden geçen akımı kullanarak hareket enerjisi elde eder. Ancak bu hareketin yönü manyetik alanın yönü ve iletkenden akan akımın yönü ile ilişkilidir. Bu sayede manyetik alanın yönü veya iletken telden geçen akımın yönü değiştirilerek motorların dönme yönü de değiştirilebilir. Şekil 16.11 Manyetik alan altında hareket yönleri Sol el kuralı için öncelikle sol elimizi Şekil 16.12 de gösterildiği gibi özel bir şekilde tutmalıyız. Manyetik alanın yönü her zaman N kutbundan S kutbuna doğrudur. İşaret parmağımızı manyetik alan yönünde tutmalıyız. Aynı anda orta parmağımızın da akımın yönü ile aynı yönde olması gereklidir. Bu durumda başparmağımız hareket yönünü gösterir. Motorların çalışmalarını daha iyi anlamak için elektromanyetizma adı verilen fiziksel olayı anlamak gereklidir. Manyetik alanlar sadece kalıcı mıknatıslara mahsus değildir. Akım taşıyan bir telin çevresinde manyetik bir alan oluşur. Bu manyetik alanı çubuk çevresinde döndürülerek yapılan pamuk şekerin kendisi gibi düşünebilirsiniz. 228
Şekil 16.12 Sol el kuralı Kalıcı mıknatıslarda olduğu gibi elektrik akımlarının alanları da kuzeyden güneye yönelmiştir. Bir iletken tel üzerinden geçen akımın oluşturduğu manyetik alan çok düşük değerdedir. Bobin adı verilen iletken tel sarımları ile güçlü manyetik alanlar elde edilebilir. 16.5 BİR MANYETİK ALAN İÇİNDE AKIM GEÇEN İLETKENE TESİR EDEN KUVVET VE DOĞRU AKIM ELEKTRİK MOTORLARININ ÇALIŞMA PRENSİBİ İçinden akım geçen bir iletkenin manyetik alan içindeki durumu ve sol el kuralı, manyetik alan içinde hareket eden bir iletken üzerinde EMK indüklenir ve bu EMK den dolayı devreden bir akım geçer. Şimdi bu durumun tersini inceleyelim. Yani manyetik alan içinde bulunan bir iletkenden akım geçerse ne olur? Şekil 16.12 İçinden akım geçen iletken ve yönü Manyetik alan içindeki iletkenin itilme yönü, iletkenin içinden geçen akımın ve manyetik alanın yönüne bağlıdır. İletkenin hareket yönü, sol el kuralı ile bulunur. 229
Sol el, dört parmak birbirine birleştirilerek açılır. Sol el kuvvet çizgileri avuç içinden geçecek ve bitişik dört parmak iletkenden geçen akımın yönünü gösterecek şekilde tutulursa başparmak iletkenin hareket yönünü göstermektedir. Not: Akım yönü ve manyetik alan yönü aynı anda değiştirilirse iletkenin hareket yönü değişmez. Sadece birinin değiştirilmesi yeterli olmaktadır. 16.5.1 Zıt EMK Şekil 16.14 te görüldüğü gibi doğru akım motoruna gerilim uyguladığımızda endüvinin N kutbunun altındaki iletkenlerde pozitif yönde akım geçerken, S kutbunun üstündeki iletkenlerde diğer yönde akım geçer. Manyetik alanın etkisiyle endüvi sola doğru hareket eder. Manyetik alan içinde dönen ve iletkenleri kuvvet çizgileri tarafından kesilen Endüvi üzerinde EMK indüklenir. Endüviden geçen akımla, dolayısıyla endüviye uygulanan U gerilimi ile endüvide indüklenen EMK nin yönleri birbirine terstir. Endüviye uygulanan gerilime ters yönde oluşan bu EMK ye zıt EMK denir. Şekil 16.13 İçinden akım geçen iletkenin N-S kutup alanı içindeki durumu Endüvide indüklenen zıt EMK, endüviye uygulanan gerilime (U) göre ters yönde olduğundan U geriliminin endüviden geçirmek istediği akımı azaltmak ister. Yani endüviden geçen akım, iki gerilimin farkından dolayı geçen akımdır. 230
Şekil 16.14 İçinden akım geçen iletkenin kutuplar içerisindeki hareketi 231
ÖZET Demir, nikel, kobalt gibi metalleri çekme özelliği gösteren metallere mıknatıs dendiğini biliyoruz. Mıknatıslar doğal ve yapay olmak üzere iki çeşittir. Doğal mıknatıs, demirin (Fe) oksijenle (O 2 ) oluşturduğu Fe 3 O 4 bileşiğidir. Yapay mıknatıslar ise demir, nikel, kobalt gibi malzemelerin alaşımlarının mıknatıslandırılması (mıknatıs etkisine sokulması) ile elde edilir. Manyetik alandan etkilenen ya da manyetik alanı etkileyen maddelere manyetik maddeler denir. Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1 den çok büyük olan maddelerdir. Böyle maddeler manyetik alana konursa mıknatıslanırlar ve bölgedeki manyetik alan şiddetini alırlar. Kobalt, nikel, demir gibi maddeler ferromanyetik maddedir. Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1 den biraz büyük olan maddelerdir. Manyetik alandan etkilenmeyen maddelere manyetik olmayan maddeler denir. Mıknatısın itme ya da çekme kuvvetinin en yoğun olduğu bölgeler, mıknatısın kutuplarıdır. Bir mıknatısın N (North) ve S (South) olmak üzere iki kutbu vardır. Manyetik alan, bir mıknatısın kuvvetinin etkili olduğu alandır. Bu etki, bir mıknatısın etrafına demir tozları döküldüğünde tozların, kutupların bölgesinde yoğun olmak üzere mıknatısın etrafında çizgiler meydana getirmesinden anlaşılır. Bir mıknatıs, ortasından bir ip ile bağlanarak serbest bırakıldığında bir ucu kuzey, diğer ucu güney yönünü gösterir. Yön bulmaya yarayan bu tür mıknatıslara pusula denir. Bir iletkenden akım geçirilince iletken etrafında bir manyetik alan oluşur. Tıpkı mıknatısta olduğu gibi bu alanın da itme ve çekme özelliği vardır. İletken etrafında oluşan alanın yönü sağ el kuralı ile bulunur. Kurala göre iletken avuç içine alacak şekilde tutulduğunda ve başparmak akımın yönünü, kalan dört parmak ise iletkende oluşan manyetik alanın yönünü gösterir. Manyetik alanın sakıncalarını maddeler halinde sıralayacak olursak: Canlı metabolizmasını bozarak halsizlik, yorgunluk ve bir takım hastalıklara sebebiyet verebilir. Ölçüm cihazlarını etkileyerek yanlış ölçümlere neden olabilir. Bazı elektronik cihazların çalışmaları üzerinde olumsuz etkileri görülebilir. Elektromıknatıs, bir manyetik nüve ve nüvenin üzerine sarılan bir bobinden oluşur. Elektromıknatıslar, evlerde iletişim araçlarının mikrofon ve hoparlörlerinde, 232
çamaşır makinesi, buzdolabı gibi cihazların motorlarında, birçok elektronik cihazın adaptörlerinde, kaçak akım ve aşırı akım rölelerinde, sigortalarda, kumandanda röleleri ve kontaktörlerde vb. yerlerde kullanılır Lenz Kanunu na göre bir iletken, manyetik bir alan içerisinde hareket ettirilirse bu iletkenin iki ucu arasında potansiyel bir fark oluşur. Aynı şekilde bir manyetik alan bir iletkeni kesecek (görecek) şekilde hareket ettirilirse bu iletkende yine bir elektrik gerilimi oluşur. Bir iletkende gerilim oluşturabilmek endüksiyon prensibine dayanır. Endüksiyon prensibine göre; iletken ve manyetik alanın birbirlerini etkileyecek şekilde konumlandırılıp, en az birinin hareket ettirilmesi sonucunda iletkendeki yükler harekete geçer. Bu olay sonucunda iletkende bir gerilim meydana gelir. İletkende meydana gelen akımın yönü sağ el kuralına göre bulunabilir. Motorlar elektrik enerjisinden üretilen elektromanyetik alanı kullanarak mekanik hareket elde eden cihazlardır. Elektrik enerjisini kullanarak hareket enerjisi üretirler. Endüstriyel kontrol sistemlerinin hareket içeren parçaları genellikle motorlardan oluşur. Kalıcı mıknatıslarda olduğu gibi elektrik akımlarının alanları da kuzeyden güneye yönelmiştir. Bir iletken tel üzerinden geçen akımın oluşturduğu manyetik alan çok düşük değerdedir. Bobin adı verilen iletken tel sarımları ile güçlü manyetik alanlar elde edilebilir. Manyetik alan içindeki iletkenin itilme yönü, iletkenin içinden geçen akımın ve manyetik alanın yönüne bağlıdır. İletkenin hareket yönü, sol el kuralı ile bulunur. Sol el, dört parmak birbirine birleştirilerek açılır. Sol el kuvvet çizgileri avuç içinden geçecek ve bitişik dört parmak iletkenden geçen akımın yönünü gösterecek şekilde tutulursa başparmak iletkenin hareket yönünü göstermektedir. Akım yönü ve manyetik alan yönü aynı anda değiştirilirse iletkenin hareket yönü değişmez. Sadece birinin değiştirilmesi yeterli olmaktadır. Endüvide indüklenen zıt EMK, endüviye uygulanan gerilime (U) göre ters yönde olduğundan U geriliminin endüviden geçirmek istediği akımı azaltmak ister. Yani endüviden geçen akım, iki gerilimin farkından dolayı geçen akımdır. 233
DEĞERLENDİRME SORULARI 1-Aşağıdakilerden hangisi mıknatıslanmaya uygun olmayan maddedir? A. Demir B. Arikel C. Alüminyum D. Kobalt 2- Aşağıdakilerden hangisi mıknatıslanabilen maddelerdir? A. Tornavida B. Altın küpe C. Gümüş yüzük D. Bakır vazo 3- Aşağıdakilerden hangisi doğru akım elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren elektrik makinesidir? A. Asenkron motor B. Doğru akım motoru C. Dinamo D. Trafo 4- manyetik alan içinde bulunan iletkenin itilme yönü Aşağıdakilerden hangisine bağlıdır? A. Akımın yönüne B. Sipir sayısına C. Gerileme D. Güce 5- Aşağıdakilerden hangisi doğal mıknatısın adıdır? A. Kalsin B. Silis C. Demir D. Magnetit 234