T.C. ANADOLU ÜN VERS TES YAYINI NO: 2506 AÇIKÖ RET M FAKÜLTES YAYINI NO: 1477 ELEKTR K ENERJ S ÜRET M Yazarlar Doç.Dr. Evren TURAN (Ünite 1) Doç.Dr. A. fienol AYBEK (Ünite 2) Prof.Dr. L. Berrin ERBAY (Ünite 3) Prof.Dr. Haydar ARAS (Ünite 4, 7) Yrd.Doç.Dr. Gökhan DURMUfi (Ünite 5) Prof.Dr. Engin TIRAfi (Ünite 6) Doç.Dr. Hüseyin GÜNERHAN (Ünite 8) Editör Doç.Dr. Süleyman DEM R ANADOLU ÜN VERS TES
Bu kitab n bas m, yay m ve sat fl haklar Anadolu Üniversitesine aittir. Uzaktan Ö retim tekni ine uygun olarak haz rlanan bu kitab n bütün haklar sakl d r. lgili kurulufltan izin almadan kitab n tümü ya da bölümleri mekanik, elektronik, fotokopi, manyetik kay t veya baflka flekillerde ço alt lamaz, bas lamaz ve da t lamaz. Copyright 2012 by Anadolu University All rights reserved No part of this book may be reproduced or stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means mechanical, electronic, photocopy, magnetic tape or otherwise, without permission in writing from the University. UZAKTAN Ö RET M TASARIM B R M Genel Koordinatör Doç.Dr. Müjgan Bozkaya Genel Koordinatör Yard mc s Yrd.Doç.Dr. rem Erdem Ayd n Ö retim Tasar mc s Dr. Kadriye Uzun Grafik Tasar m Yönetmenleri Prof. Tevfik Fikret Uçar Ö r.gör. Cemalettin Y ld z Ö r.gör. Nilgün Salur Ölçme De erlendirme Sorumlusu Ö r.gör. Reha Akgün Dil Yaz m Dan flman Okt. Ferdi Bozkurt Grafiker Hilal Küçükda aflan Kitap Koordinasyon Birimi Uzm. Nermin Özgür Kapak Düzeni Prof. Tevfik Fikret Uçar Ö r.gör. Cemalettin Y ld z Dizgi Aç kö retim Fakültesi Dizgi Ekibi Elektrik Enerjisi Üretimi ISBN 978-975-06-1181-0 1. Bask Bu kitap ANADOLU ÜN VERS TES Web-Ofset Tesislerinde 6.000 adet bas lm flt r. ESK fieh R, May s 2012
çindekiler iii çindekiler Önsöz... viii Elektrik Enerjisi ve Jeneratörler... 2 ELEKTR K ENERJ S... 3 Elektrik Enerjisinin Özellikleri... 3 Elektrik Enerjisi Tüketimi... 5 ELEKTR K ENERJ S N N ELDE ED LMES... 5 Sürtünme ile Elektrik Enerjisinin Elde Edilmesi... 6 Bas nç Etkisi ile Elektrik Enerjisinin Elde Edilmesi... 7 Ifl k ile Elektrik Enerjisinin Elde Edilmesi... 8 Is ile Elektrik Enerjisinin Elde Edilmesi... 8 Kimyasal Yolla Elektrik Enerjisinin Elde Edilmesi... 9 ELEKTROMANYET K NDÜKS YON... 9 Ak m-manyetik Alan liflkisi... 10 Faraday n ndüksiyon Kanunu... 11 Manyetik Ak... 14 Hareketsel Emk... 17 JENERATÖRLER... 20 Alternatif Ak m (ac) Jeneratörü... 20 Alternatif Ak m n Üretimi... 21 AC Jeneratör Çeflitleri... 24 Faz Say s na Göre Jeneratörler... 27 Do ru Ak m (dc) Jeneratörü... 29 DC Jeneratör Çeflitleri... 31 Özet... 34 Kendimizi S nayal m... 36 Okuma Parças..... 37 Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar... 38 S ra Sizde Yan t Anahtar... 38 Yararlan lan Kaynaklar... 39 Termik ve Jeotermal Enerji Santralleri...... 40 TERM K SANTRALLER... 42 Termik Santrallerde Elektrik Üretimi... 42 Kömürle Çal flan Termik Santraller... 47 Fuel Oil ile Çal flan Termik Santraller... 48 Dizel Yak t ile Çal flan Termik Santraller... 49 Do al Gaz ile Çal flan Termik Santraller... 50 JEOTERMAL ENERJ SANTRALLER... 52 ÜLKEM ZDE BULUNAN TERM K VE JEOTERMAL ENERJ SANTRALLER... 54 Kömürle Çal flan Termik Santrallerimiz... 55 Fuel Oil, Dizel ve Do al Gazla Çal flan Termik Santrallerimiz... 56 Jeotermal Santrallerimiz... 57 1. ÜN TE 2. ÜN TE
iv çindekiler TERM K SANTRALLER N ÇEVREYE ETK LER... 58 Özet... 59 Kendimizi S nayal m... 60 Okuma Parças..... 61 Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar... 62 S ra Sizde Yan t Anahtar... 62 Yararlan lan Kaynaklar... 63 3. ÜN TE 4. ÜN TE Nükleer Santraller... 64 NÜKLEER ENERJ N N KAYNA I... 65 Ba Enerjisi... 65 NÜKLEER REAKTÖRLER N YAPISAL ELEMANLARI VE SINIFLANDIRILMASI... 67 NÜKLEER REAKTÖR T PLER... 72 Bas nçl Su Reaktörü... 72 Kaynar Su Reaktörü... 74 A r Su Reaktörü... 74 Gaz Grafit Reaktörü... 75 H zl -Üretken ve Yeni Nesil Nükleer Reaktörler... 76 F SYON ENERJ S N N AKTARILMASI... 77 SO UTMA-GÜÇ DEVRES ELEMANLARI... 79 GÜÇ ÇEVR M... 82 Özet... 84 Kendimizi S nayal m... 86 Okuma Parças... 87 Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar... 87 S ra Sizde Yan t Anahtar... 88 Yararlan lan Kaynaklar... 89 Hidroelektrik Enerji Santralleri... 90 H DROELEKTR K SANTRALLER N YAPISI... 92 TEMEL KAVRAMLAR... 93 H DROELEKTR K SANTRAL T PLER... 95 H DROELEKTR K TÜRB N T PLER... 100 Üst Bas nç Türbinleri... 100 Serbest Püskürtmeli Türbinler... 102 SUYUN ENERJ S... 103 B R H DROELEKTR K SANTRAL PLANLAMA AfiAMALARI... 106 Ön nceleme ( stikflaf) Çal flmalar... 106 Master Plan Çal flmalar... 106 Planlama (Fizibilite-Yap labilirlik) Çal flmalar... 107 Kesin Proje Çal flmalar... 107 ÜLKEM ZDEK H DROELEKTR K SANTRALLER... 108 Özet... 110 Kendimizi S nayal m... 111 Okuma Parças... 112
çindekiler v Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar... 112 S ra Sizde Yan t Anahtar... 113 Yararlan lan Kaynaklar... 113 Rüzgâr Enerjisinden Elektrik Enerjisi Üretimi..... 114 RÜZGÂR TÜRB N B LEfiENLER... 115 Pervane Palalar... 117 Nasel... 118 Rüzgâr Türbinlerinin Güç Kontrol Mekanizmalar... 118 Rüzgâr Türbini Sapma Mekanizmas... 119 Rüzgâr Türbini Kuleleri... 120 Rüzgâr Türbini Jeneratörleri... 120 Rüzgâr Türbini Diflli Kutular... 122 Rüzgâr Türbini Elektronik Kontrol Ünitesi... 122 Fren Sistemi... 123 Anemometre ve Rüzgârgülü... 124 ELEKTR K ÜRET M : BÜTÜN B LEfiENLER N B R ARAYA GET R LMES... 124 BÜYÜKLÜKLER NE GÖRE RÜZGÂR TÜRB NLER... 125 Küçük ya da Ev-Çiftlik Ölçekli Rüzgâr Türbin Sistemleri... 125 Büyük ya da Ticari Ölçekli Rüzgâr Türbini Sistemleri... 125 RÜZGÂR TÜRB NLER NDE GÜVENL K... 126 Y ld r m Korumas ve Topraklama... 126 RÜZGÂR TÜRB NLER N N ÜRET M VE KURULUMU... 126 RÜZGÂR TÜRB NLER N N ÇEVRE LE ETK LEfi M... 128 Yan Ürünler... 128 Gürültü... 128 Kufllar... 128 Görsellik... 128 Gölgeleme... 128 GEÇM fiten GÜNÜMÜZE RÜZGÂR TÜRB NLER... 129 Türkiye de Rüzgâr Türbinleri... 131 Özet... 134 Kendimizi S nayal m... 136 Okuma Parças... 137 Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar... 137 S ra Sizde Yan t Anahtar... 138 Yararlan lan Kaynaklar... 139 Günefl Enerjisinden Elektrik Enerjisi Üretim Sistemleri... 140 GÜNEfi ENERJ S... 141 GÜNEfi P LLER... 142 Günefl Pilinin Çal flma Prensibi... 143 Günefl Pilinin Verimini Etkileyen Faktörler... 147 GÜNEfi PANELLER... 149 Günefl Panellerinin Konumland r lmas... 150 5. ÜN TE 6. ÜN TE
vi çindekiler GÜNEfi P L S STEMLER... 151 fiebeke Desteksiz Günefl Pili Sistemleri... 152 fiebeke Destekli Günefl Pili Sistemleri... 153 Günefl Paneli Sistemlerinin Maliyeti... 154 YO UNLAfiTIRILMIfi GÜNEfi ENERJ S S STEMLER... 155 Yo unlaflt r lm fl Termal Günefl Enerjisi Santralleri... 156 Yo unlaflt r lm fl Fotovoltaik Günefl Enerjisi Santralleri... 158 Özet... 159 Kendimizi S nayal m... 161 Okuma Parças... 162 Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar... 162 S ra Sizde Yan t Anahtar... 163 Yararlan lan Kaynaklar... 165 7. ÜN TE Bileflik Is ve Güç Üretimi, Otoprodüktör Uygulamas... 166 B LEfi K ISI VE GÜÇ ÜRET M (KOJENERASYON)... 167 Bileflik Is Güç Santrallerinin Avantajlar... 169 Bileflik Is -Güç ve Çevre... 170 B LEfi K ISI VE GÜÇ S STEMLER N N TEMEL B LEfiENLER... 170 Ana Tahrik Bilefleni... 171 Jeneratör... 171 At k Is Kazan m Sistemleri... 172 Otomatik Kontrol Sistemleri... 172 B LEfi K ISI VE GÜÇ ÜRET M S STEM SEÇ M... 173 Yak t... 173 Elektrik Is Oran... 173 Yük E risi... 173 Start (Dur-Kalk) Say s... 173 Ortam S cakl... 173 Kapasite... 174 B LEfi K ISI VE GÜÇ ÜRET M T PLER... 174 Buhar Türbinli Bileflik Is ve Güç Santralleri... 174 Is -Elektrik Oran n n Tasar ma Etkisi... 178 Gaz Türbinli (Brayton Çevrimi) Bileflik Is Güç Santralleri... 178 Bileflik Gaz-Buhar Çevrimi... 179 Gaz Motorlar... 180 OTOPRODÜKTÖRLÜK VE OTOPRODÜKTÖR UYGULAMALARI... 180 Otoprodüktörlü ün Hukuki Alt Yap s... 181 Otoprodüktör Uygulamas na liflkin Bir Örnek... 182 Özet... 185 Kendimizi S nayal m... 187 Okuma Parças... 188 Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar... 188 S ra Sizde Yan t Anahtar... 189 Yararlan lan Kaynaklar... 189
çindekiler vii Hibrit Elektrik Enerjisi Üretim Sistemleri... 190 H BR T ENERJ S STEMLER... 191 Hibrit Enerji Sistemleri Uygulamalar... 193 H BR T ENERJ S STEMLER N N ÖZELL KLER... 194 Hibrit Sistemlere Ba l Merkezi Elektrik fiebekesi... 195 Tekil Elektrik fiebekeli Hibrit Sistemler... 195 Tekil veya Özel Amaçl Hibrit Sistemler... 195 H BR T ENERJ S STEMLER TEKNOLOJ LER... 196 Enerji Tüketen Düzenekler... 196 Döner Elektrik Makinalar... 196 Yenilenebilir Enerji Jeneratörleri... 197 Rüzgâr Türbini... 197 Günefl Panelleri... 198 Hidro Türbinler... 199 Biyokütle Yak tl Jeneratörler... 199 Yak t Hücreleri... 199 Fosil Yak tl Jeneratörler... 202 Enerji Depolama... 202 Enerji (Güç) Dönüfltürücüler... 202 Yük Boflaltma... 204 Denetimsel Kontrol... 205 Enerji Yükleri... 206 H BR T ENERJ S STEMLER NDE TASARIM... 206 Yükleme Efllemesi... 206 Günefl-Rüzgâr Hibrit Enerji Üretim Sistemi Elemanlar... 207 H BR T ARAÇLAR... 209 Hibrit Araçlar n Avantajlar ve Dezavantajlar... 211 Yak t Hücreli Araçlar... 211 Özet... 214 Kendimizi S nayal m... 216 Okuma Parças... 217 Kendimizi S nayal m Yan t Anahtar... 218 S ra Sizde Yan t Anahtar... 219 Yararlan lan Kaynaklar... 219 8. ÜN TE Sözlük... 221 Dizin... 225
viii Önsöz Önsöz Günümüzdeki teknolojik geliflmelere paralel olarak enerji tüketimi de gittikçe artan bir ivme kazanmaktad r. Bugün bir ülkenin geliflmifllik düzeyi, kifli bafl na düflen elektrik enerjisi tüketimi ile ölçülmektedir. Dünya nüfusu artarken geleneksel enerji kaynaklar n n büyük bir h zla tükenmesi toplumlar bir yandan mevcut enerji potansiyelini daha etkin bir flekilde kullanmaya iterken di er yandan da yeni enerji kaynaklar bulmaya zorlamaktad r. Ayr ca geleneksel enerji kaynaklar n n Dünya üzerindeki homojen olmayan da l m ve son y llarda geliflen çevre bilinci; su, günefl ve rüzgâr gibi yenilenebilir enerji kaynaklar ndan daha fazla yararlanmay ve bu yönde yeni teknolojiler gelifltirmeyi gerekli k lmaktad r. Ülkemiz her ne kadar petrol ve do algaz gibi geleneksel enerji kaynaklar aç - s ndan zengin olmasa da yenilenebilir enerji kaynaklar bak m ndan oldukça flansl bir co rafyada yer almaktad r. Bununla birlikte ülkemizin ya fl rejimindeki düzensizlikler, artan nüfus sonucu içme suyuna olan talebin her geçen gün artmas ve buna karfl n yap laflmayla birlikte su havzalar n n küçülmesi, tar m ve hayvanc l k faaliyetlerinin sürdürülmesi için düzenli ve yeterli su ihtiyac mevcut su kaynaklar m z n elektrik üretiminde çok dikkatli bir flekilde kullan lmas n gerektirmektedir. Öte yandan ülkemiz co rafi konumu ve iklimi nedeniyle sahip oldu u günefl ve rüzgâr enerjisi potansiyeli aç s ndan birçok ülkeye göre flansl durumdad r. Bu kaynaklardan yararlanarak elektrik enerjisi üretimini neredeyse tüm yurt çap nda gerçeklefltirmek mümkündür. Elektrik enerjisi üretiminde kullan lan kaynaklar aç s ndan ülkemiz büyük ölçüde d fla ba ml d r. Evimizin, iflyerimizin ayd nlatma ve s tma ihtiyac yla birlikte günlük yaflamda kulland m z ev aletlerinin, sanayi üretiminde kullan lan büyük ölçekli makinelerin hemen hemen hepsi elektrik enerjisine ihtiyaç duyarlar. Elektrik kesintisi nedeniyle bir an için bunlar kullanamad n z, fabrikalar n haftalarca üretim yapamad hayal ediniz. Böyle bir durumun toplumsal ve ekonomik tahribat çok büyük olacakt r. Dolay s yla elektrik enerjisi üretiminde d fla ba- ml l ktan kurtulmak ve arz güvenli i sa lamak için elektrik enerjisi üretiminde kullan lan kaynaklar çeflitlendirmek de gerekir. Elinizdeki kitap elektrik enerjisi üretiminde kullan lan teknolojileri tan mak, bu teknolojilerin alt nda yatan fiziksel gerçekleri kavramak aç s ndan ö rencilerimize yeni ufuklar açacakt r. Özellikle meslek yüksekokullar nda ö renim gören ö rencilerin elektrik enerjisinin üretimi konusunda yararlanabilece i yeterince Türkçe kaynak bulunmamaktad r. Dolays yla önlisans program m z için haz rlanan bu kitap an lan eksikli- i de bir ölçüde giderecektir. Kitab n z, iletiflim ça n n bir gere i olarak konular kendi bafl n za çal fl rken baflvurabilece iniz internet kaynaklar n da içerecek flekilde haz rlanm flt r. Ayr ca üniteler, verilen bilgilerin pekifltirilmesi amac yla çok say da grafik, flekil ve resimle de desteklenmifltir. Kitab n z n baz içerikleri önlisans program m zda yer alan di er derslerle de iliflkili oldu undan, tekrara kaçmamas aç s ndan mümkün ol-
Önsöz ix du unca farkl noktalar üzerinde durulmaya çal fl lm flt r. Bu konularda daha fazla bilgi edinmek isterseniz ilgili kitaplardan da yararlanabilirsiniz. Büyük bir eksili i gidermede katk da bulundu unu düflündü üm bu kitab n haz rlanmas nda eme i geçen herkese teflekkür eder, ö rencilerimize baflar lar dilerim. Editör Doç.Dr. Süleyman DEM R
1ELEKTR K ENERJ S ÜRET M Amaçlar m z Bu üniteyi tamamlad ktan sonra; Elektrik enerjisinin özelliklerini ifade edebilecek, Elektrik enerjisinin elde edilme yöntemlerini aç klayabilecek, Elektrik ve manyetizma aras ndaki iliflkiyi yorumlayabilecek, Sabit büyüklükteki bir manyetik alan içerisinde hareket eden bir iletkende oluflan hareketsel emk yi irdeleyebilecek, AC jeneratörlerde elektri in nas l üretildi ini aç klayabilecek, DC jeneratörlerde elektri in nas l üretildi ini ifade edebilecek bilgi ve beceriler kazanabileceksiniz. Anahtar Kavramlar Elektrik Üretimi Elektromanyetik ndüksiyon Manyetik Ak De iflimi Mekanik Enerjinin Elektrik Enerjisine Dönüflümü Alternatif Ak m Üretimi Do ru Ak m Üretimi çindekiler Elektrik Enerjisi Üretimi Elektrik Enerjisi ve Jeneratörler ELEKTR K ENERJ S ELEKR K ENERJ S N N ELDE ED LMES ELEKTROMANYET K NDÜKS YON JENERATÖRLER
Elektrik Enerjisi ve Jeneratörler Bazen en yak n m zda gerçekleflen olaylar, hakk nda çok az bilgiye sahip olduklar m zd r. Elektrikle iliflkimiz de böyledir ve bizler için di er fiziksel olaylar kadar kolay anlafl labilir bir kavram de ildir. Elektri i, temel olarak bir enerji formu olarak düflünebiliriz. Elektrik; kömür, petrol, do algaz gibi fosil kaynakl yak tlar, nükleer enerji veya su ve günefl gibi yenilenebilir enerji kaynaklar kullan larak elde edilen ikincil bir enerji biçimidir. Elektrik sayesinde do ada çeflitli hallerde bulunan enerjiyi depolayabiliyor, uzak mesafelere tafl yabiliyor ve farkl enerji türlerine etkin bir biçimde dönüfltürebiliyoruz. Günlük hayatta kulland m z elektrik enerjisi elektrik santrallerinde üretilerek iletim ve da t m hatlar yla yaflad m z yerlere gelmektedir. Elektrik enerjisi üretiminin temelinde enerji dönüflümü yer al r. Santrallerde, mekanik enerji jeneratör ad verilen ayg tlar yard m yla elektrik enerjisine dönüfltürülür. Bu ünitede öncelikle elektrik enerjisinin özelliklerinden bahsedilecektir. Daha sonra ise elektrik enerjisinin nas l üretildi ine ve evimizde kullanabildi imiz biçime nas l dönüfltürüldü üne iliflkin bilgiler verilecektir. ELEKTR K ENERJ S Do rudan ölçülemeyen bir de er olan enerji bir cisim ya da sistemin ifl yapabilme yetene idir ve do ada bulunan her maddenin özünde saklan r. Bu gizli enerji daima kendinden sonra gelen bir enerji türüne dönüflme e ilimindedir. Enerjinin korunumu ilkesine göre enerji yoktan var edilemez, var olan enerji de yok edilemez ancak bir türden di er türe de iflir. Enerji, üretildi i kayna a göre mekanik, s, fl k, kimyasal ve elektrik enerjisi olarak s n fland r l rlar. Elektrik enerjisi yenilenebilir olmayan (kömür, petrol, do al gaz, nükleer) ya da yenilenebilir enerji kaynaklar (günefl, su, rüzgar, jeotermal, biyomas) kullan larak ikincil bir enerji olarak elde edilmektedir. Enerji kaynaklar bize yaflant m z devam ettirmek için gerekli olan enerjiyi sa lar. Elektrik Enerjisinin Özellikleri Dünya da en yayg n olarak kullan lan enerji biçimi olan elektrik enerjisinin di er enerji türlerine dönüfltürülmesi kolayd r. Elektrik enerjisi kullanma amac na uygun olarak mekanik, s, fl k ve kimyasal enerjiye çevrilir. Örne in, konutlarda ve ifl yerlerinde elektrik enerjisi fl k enerjisine çevrilerek, ayd nlatma amac yla kullan l-
4 Elektrik Enerjisi Üretimi maktad r. Benzer flekilde elektrik enerjisi, elektrikli ocaklar, f r nlar veya sobalar sayesinde kolayca s enerjisine dönüfltürülür. Elektrik enerjisi, toplumlar n ekonomik, sosyal ve kültürel yönlerden kalk nmas n sa layan en önemli güçtür. H zla ilerleyen teknolojideki geliflmeler ve hatta evlerimizde yaflant m z n ayr lmaz bir parças olarak kulland m z makineler elektrik enerjisi sayesinde mümkün olmufltur. Elektrik motorlar n n di er motorlara göre daha küçük boyutta yap labilmesi, çal flt r l p durdurulmas n n basit bir anahtarla mümkün olmas, özel bir bak m gerektirmemesi ve sessiz çal flmalar, ev cihazlar nda elektrik enerjisinin kullan lmas n n en önemli nedenlerindendir. Günlük yaflant m zda elektrik enerjisinin kullan lmad bir alan neredeyse yoktur. Elektri in sanayide kullan lma yerleri de say lmayacak kadar fazlad r. Elektrik makinelerinin verimlerin yüksek olmas, yani kayb n minimum olmas, kumandalar n n kolayl ve yap lar n n basit olmas, di er enerji makineleri yan nda ön s - ray almalar na neden olmufltur. Elektrik enerjisinin di er enerji türlerine göre çok uzaklara tafl nmas ve kullan lmas daha kolayd r. Elektrik santrallerinde üretilen elektrik enerjisi, binlerce kilometre uzakl ktaki yerleflim merkezlerine ve sanayi tesislerine iletim hatlar ile kolayca iletilebilir. letildi i noktada elektrik enerjisi, konutlara ve ifl yerlerine da t lmak üzere say s z parçaya ayr larak kullan labilir. Elektrik enerjisinin verimi yüksektir. Bir enerji türü baflka bir enerji türüne dönüfltürülürken ikincil enerji türleri de ortaya ç kar. Elektrik enerjisi, kullan ld yerlere göre fl a, sese, s ya ve harekete dönüflür. Bunlar n aras nda özellikle s enerjisinin büyük olmamas istenir. Is enerjisinden yararlan lamad durumlarda verim düfler. Elektrik enerjisinin s dan baflka bir enerjiye dönüfltürülmesinde oluflan s enerjisi az oldu u için verimi yüksektir. Elektrik enerjisi, akümülatörlerde kimyasal enerjiye dönüfltürülerek veya kondansatörlerde ise do rudan s n rl miktarda depo etme olana bulunmas na ra men, genel anlamda depo edilemeyen bir enerji türüdür. Elektrik enerjisinin üretildi i anda kullan lma zorunlulu u vard r. Bundan dolay üretim ile tüketim aras nda devaml bir dengenin bulunmas gerekir. Ayr ca üretim sisteminde bir ar za ortaya ç kt nda, bu sisteme ba l say s z kullan c da hizmetlerin durmas na ya da aksamas na neden olur. Bu nedenle, elektrik enerjisinin üretiminde süreklili in sa lanmas gerekir. Farkl enerji türlerinden elektrik enerjisinin üretilmesini sa layan tesislere elektrik santrali denir. Endüstride, ifl yerlerinde ve evlerde kullan lan elektrik bu santrallerde üretilir. Bu santrallerde, alternatif ak m üreten dev üreteçler ya da jeneratörleri çal flt ran türbinler bulunur. Türbinleri de potansiyel enerjiye sahip (baraj suyu ya da kömür vb.) bir enerji kayna ndan gelen güç döndürür. Elektrik enerjisi, do ru ak m ve alternatif ak m olmak üzere iki biçimde üretilir. Günümüzde kullan lan elektrik enerjisinin büyük bölümü alternatif ak m olarak üretilmektedir. Elektrik enerjisi, basit bir elektrik devresinde oldu u gibi elektrik santralinde bafllay p evlere, iflyerlerine kadar uzanan ve oradan tekrar santrale dönen kapal bir devrede tafl n r. Elektrik enerjisinin çok uzaklara ekonomik olarak iletilmesi için yüksek gerilim (voltaj) de erlerine ihtiyaç vard r. Do ru ak m elde etmekte kullan lan dinamolar ise düflük gerilime sahiptir. Oysa alternatif ak m üreten jeneratörlerden yüksek gerilim elde edilmektedir. Bu nedenle elektrik enerjisinin uzak mesafelere iletimi yüksek gerilim de erine sahip alternatif ak mlarla yap lmaktad r.
1. Ünite - Elektrik Enerjisi ve Jeneratörler 5 Elektrik enerjisinin üretildi i santraller ço u zaman yerleflim birimlerine uzak olur. Baz yerlerde ise hiç santral yoktur. Bu nedenle üretilen elektrik enerjisini iletmek yani tafl mak gerekir. Elektrik enerjisi üretimine paralel olarak tafl ma ve da t m için özel düzenek ve flebekelere ihtiyaç duyulur. Elektrik santrallerinde üretilen elektrik enerjisinin kullan laca yerlere iletilmesini enerji nakil hatlar sa lar. Enerji nakil hatlar yer alt nda veya yer üstünde bulunan iletken tellerden oluflur. Elektrik enerjisinin tüketicilere ulaflt r lmas için tesis edilen iletim ve da t m flebekeleri, iletim ve da t m n yap laca yerleflim yerlerinin özelliklerine göre uygun, güvenli ve kesintisiz enerji verebilecek özellikte olmal d r. Elektrik Enerjisi Tüketimi Enerji türleri içerisinde elektrik enerjisinin maliyeti oldukça yüksektir. Bu nedenle elektri in tüketimi konusuna önem vermek gerekir. Elektrik da t m flirketlerinin elektrik enerjisi tüketimini hesaplamada kulland klar enerji birimi kilowatt-saat (kwh) tir Bir kwh, bir saatte harcanan elektrik enerjisi miktar d r. Gücü 60 watt (W)olan bir buzdolab günde 24 saat (h) çal flmaktad r. Elektrik da- t m flirketi 1 kilovat-saat (kwh) lik elektrik enerjisini 20 kurufla satmaktad r. Buna göre buzdolab n n 1 haftada harcad elektrik enerjisinin bedeli kaç T dir? ÖRNEK Çözüm: 1000 W=1 kw oldu una göre 60 W =0,06 kw t r. Öte yandan, Enerji= Güç zaman oldu una göre, buzdolab n n bir günde harcad elektrik enerjisi, Enerji= (0,06 kw) (24 h)=1,44 kwh bulunur. Benzer flekilde buzdolab n n bir haftada harcad elektrik enerjisi, Enerji= (1,44 kwh/gün) (7Gün)=10,08 kwh olacakt r. Bu tüketimin bedeli, Tüketim bedeli= (10,08 kwh) (T0,20/kWh) =T2,02 bulunur. Elektri in kilowatt-saati (kwh) 50 kurufl ise 100 W l k bir ampülün günde 20 saat (h) süreyle kullan lmas n n bedeli kaç T dir? ELEKTR K ENERJ S N N ELDE ED LMES Elektrik kelimesi eski Yunanca da kehribar anlam na gelen elektron kelimesinden türetilmifltir. M.Ö. 600 y llar nda eski Yunanl lar yün parças na sürülen bir kehribar n baflka cisimleri çekti ini gözlemifller. Bu deneyi ilk yapan Yunanl filozof ve bilgin Thales (M.Ö. 640-546) bu olay n sadece kehribarla ilgili oldu unu sanm fl ve elektron ad n kullanm flt r. Biz bu olay kehribar n elektrik yükü ile yüklenmesi olarak aç kl yoruz. Yap lan deneyler sonucunda Benjamin Franklin (1706-1790), art (pozitif) ve eksi (negatif) olarak isimlendirdi i iki çeflit elektrik yükü oldu unu bulmufltur. Yüne sürülen kehribar parças n n nas l elektrik yükü ile yüklendi ini anlayabilmemiz için maddelerin yap tafllar olan atomlar n yap s n incelemeliyiz. 1 SIRA S ZDE
6 Elektrik Enerjisi Üretimi Maddenin en küçük yap tafl olan atom kendi içerisinde bulunan parçac klar n etkisiyle elektri in oluflumunda ve iletilmesinde büyük rol oynar. Bir atomun merkezinde çekirde i yer al r. Çekirdekte pozitif yüklü protonlar ve yüksüz nötronlar bulunur. Bu çekirde in etraf nda ise negatif yüklü elektronlar hareket halindedir. Bir elektronun yükü ile bir protonun yükü birbirine eflde erdir. Yüksüz bir atomda elektronlar n ve protonlar n say lar eflittir. Bu durumda atomun toplam yükü s - f rd r ve atomun yüksüz veya nötr oldu u söylenir. Böyle nötr atomlardan oluflan cisimler de elektriksel olarak nötrdür. Bir cismi negatif olarak yüklemek için cisme eksi yükler verilmeli veya cisimden art yükler al nmal d r. Benzer flekilde cisim pozitif olarak yüklenmek istenirse cisme art yük verilir ya da eksi yük cisimden al n r. Genellikle eksi yüklü elektronlar hareketli olduklar ndan pozitif yüklü cisim demek elektronlar n n bir k sm n kaybetmifl cisim anlam na gelir. Negatif yüklü cisim denildi inde ise bir miktar elektron kazanm fl cisim anlafl l r. Evinizde aya n z hal da sürüdükten sonra kap n n koluna dokunursan z, hissetti iniz ve bazen de can m z yakan k v lc m n nedeni parma n zla kap kolu aras nda s çrayan yüklü parçac klard r. Kuru havada saç n za bir balonu ya da tara n z sürterseniz hem saç n z hem de balon veya tarak yüklenir. Televizyon ve el fenerindeki elektrik ak mlar elektrik yüklerinin elektriksel kuvvetlerin etkisi ile tellerde akmalar sonucu oluflur. Bu durumda da yine yüklerin cisimden uzaklaflt - r lmas söz konusudur. Bu örneklerden de anlafl laca gibi hem durgun (statik) elektrik yükleri oluflturarak hem de hareketli elektrik yükleri ile yani elektrik ak - m ile elektrik enerjisi üretilir. Statik elektrik veya elektrik ak m elde etmek için bir d fl etki yard m yla elektron atomdan ayr lmal d r. Sözü edilen d fl etki sürtünme, bas nç, s, fl k, manyetizma veya kimyasal yollarla sa lanabilir. fiekil 1.1 Sürtünme ile Elektriklenme Sürtünme ile Elektrik Enerjisinin Elde Edilmesi Statik (durgun) elektrik yüklerinin sebep oldu u olaylar inceleyen bilim dal na elektrostatik denir. Statik elektrikte bir ak fl veya hareket söz konusu de ildir. Fakat bu durgun elektri in bir ifl yapmamas anlam na gelmez. Statik elektrik yüküne sahip olan cisimler kendisinden z t yüklü cisimleri çeker veya iter. Statik elektrik yüklerin etkileflimlerini incelemek için Kürk Plastik çubuk plastik çubuk ve kürk (veya yün kumafl) en iyi örneklerdir. fiekil 1.1 de iki plastik çubuk ve bir kürk parças verilmifltir. Plastik çubuklar kürk parças na sürtüldü- ünde elektriklenir. Sürtünme durumunda plastik çubuk ve kürk aras ndaki etkileflim sonucunda her ikisi de yüklenirler. Her ikisi de bafllang çta yüksüz olan bir plastik çubu u bir kürk parças na sürttü ümüzde çubuk negatif, kürk parças pozitif yüklenir. Bu flekilde cisimlerin elektrik yükü kazanmalar na
1. Ünite - Elektrik Enerjisi ve Jeneratörler 7 sürtünme ile elektriklenme denir. Kürkün kazand art yük ile plastik çubu- un kazand eksi yüklerin büyüklükleri birbirlerine eflittir. Asl nda plastik çubuk ne kadar elektron kazand ysa kürk parças da ayn miktarda elektron kaybetmifltir. Yük yarat lmaz ya da yok edilemez. Yaln zca bir cisimden di erine yük aktar l r. Sürtünme ile elektriklenen iki plastik çubuk birbirlerini iterler. Statik elektriklenmeye bir di er örnek y ld r m ve flimflek olaylar verilebilir. Ya murlu havalarda bulutlar n kendi aralar nda temas neticesinde, bulutlar statik elektrik yükü ile yüklenir. Yeryüzünün elektrik yükü pozitif, bulutlar n elektrik yükü negatif oldu u için bazen bulutla yeryüzü aras nda elektrik yük akmas gerçekleflir. Bu olaya y ld r m denir (fiekil 1.2). E er statik yük hareketi bulutlar aras nda olursa bu olaya flimflek ad verilir. Y ld r m n büyük binalara zarar vermesini önlemek için paratoner kullan l r. Böylece bulutlarda meydana gelen statik yükler paratoner yard m yla topra a aktar l r ve y ld r m n zararl etkisi engellenir. fiekil 1.2 Y ld r m Olay Elektrik üretmede bir di er yöntem elektrik ak m oluflturmakt r. Elektri in en pratik uygulamalar elektrik ak mlar yla ilgili olanlar d r. Elektronlar n hareketi ile ifl yapan enerji, elektrik enerjisi üretilebilir. Elektrik ak m elde ederek elektrik enerjisi üretmek için çeflitli yöntemler vard r. Bunlar; bas nç etkisi, fl k enerjisi, s enerjisi, kimyasal etki ve manyetik etki ile elektrik üretme yöntemleridir. Bas nç Etkisi ile Elektrik Enerjisinin Elde Edilmesi Kristal yap l baz malzemeler fiekil 1.3a daki gibi mekanik bas nç etkisi alt nda b - rak ld zaman, elektrik yük ak fl meydana gelir. Malzemenin iki yüzünde farkl iflaretli yükler oluflur. Z t iflaretli yük birikimi potansiyel fark yani voltaj demektir. Bu yöntemle voltaj elde etmeye piezoelektrik olay denir. Do al olarak bunun tersi de gerçekleflebilir. Ayn malzemeye fiekil 1.3b deki gibi bu kez bir potansiyel fark uyguland zaman kristalin flekli az da olsa de iflir. Piezoelektrik olay, Jacques
8 Elektrik Enerjisi Üretimi fiekil 1.3 (a) Bas nç Uygulanan Piezoelektrik Kristal Malzemede Potansiyel Fark Oluflmas ve Pierre Curie kardefller taraf ndan 1880 y l nda keflfedilmifltir. Kristal mikrofonlar, quartz saatler burada bahsedilen bas nç etkisi ile elektrik ak m elde etme prensibine göre çal fl r. piezoseramik (b) Piezoelektrik Kristale Bir Potansiyel Fark Uyguland nda fieklinin De iflmesi (a) elektrik kayna (b) Bu olay n günlük yaflant m zdaki di er bir uygulamas olarak otomobillerdeki hava yast klar n n sensörleri verilebilir. Bu sensörlerde kullan lan piezoelektrik malzeme çarpma sonucu oluflan flok dalgas n alg layarak hava yast n n aç lmas - n sa layan bir elektriksel sinyal üretir. Benzer flekilde gemilerde derinlik ve hedef bulmaya yarayan sonar cihazlarda, piezoelektrik olaydan yararlan l r. Sonar cihaz nda bu etki kullan larak su içine ses yay m yap l r. Sesi ç karan, uygulanan elektrik enerjisi nedeniyle titreflen kristallerdir. Ses hedeften yans y nca bu defa kristaller suyun ses yüzünden s k flmas yla titreflir. Titreflen kristaller bu kez elektrik ak - m üretir. Üretilen ak m ekranda görüntüye çevrilerek hedef tespiti yap l r. Ifl k ile Elektrik Enerjisinin Elde Edilmesi Ifl k enerjisinden yararlanarak elektrik enerjisi elde eden sistemlere fotovoltaik sistemler denir. Günefl pilleri, yüzeylerine gelen günefl fl n do rudan elektrik enerjisine dönüfltüren yar iletken maddelerdir. Günefl pillerinin üzerlerine fl k düfltü ü zaman uçlar nda elektrik gerilimi oluflur. Birden fazla günefl pilleri birbirlerine ba lanarak yüksek voltaj elde edilebilir. Günlük yaflant m zda fotovoltaik düzenekler hesap makinesi, kol saatleri, fl k ölçme sistemleri gibi yerlerde kullan l r. Ayr ca günefl enerjisinden yararlanarak çal flacak elektrikli otomobilleri gelifltirme çal flmalar devam etmektedir. Fotovoltaik sistemleri 6.ünitede de ayr nt l olarak inceleyeceksiniz. Is ile Elektrik Enerjisinin Elde Edilmesi Is enerjisi elektrik ak m elde etme yönteminde, iki farkl metalin birer uçlar elektriksel kaynak yap larak birlefltirilip, birleflim yüzeyi s t lacak olursa bir metalden di erine do ru elektron hareketi bafllar. Bu durumda metallerin di er iki ucu aras nda gerilim (voltaj) oluflur. Is enerjisinden yararlanarak gerilim üreten bu tür sistemlere s l çift (termokupul) denir. Bu sistem yüksek s cakl kta çal flan f r nlar n s - cakl n n ölçülmesinde kullan l r. Is l farklardan yararlanarak elektrik enerjisi üreten sistemlere termoelektrik jeneratör denir. Termoelektrik jeneratör sisteminin temeli 1821 y l nda Thomas Seebeck taraf ndan kesfedilen Seebeck olay na dayan r. Bir termoelektrik modül, elektriksel olarak yar iletken malzemelerden oluflur. Böyle bir modülün uçlar na
1. Ünite - Elektrik Enerjisi ve Jeneratörler 9 yük ba lanarak oluflturulan termoelektrik devrede, modülün bir yüzeyinin s t l p di er yüzünün so utulmas ile termoelektrik jeneratör yap l r. Kimyasal Yolla Elektrik Enerjisinin Elde Edilmesi Günlük hayat m zda s kça kulland m z pil ve aküler kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüfltüren sistemlerdir. Pil ve akülerde elektrik enerjisinin depolanmas kimyasal yöntemlerle yap lmaktad r. fiekil 1.4 te görüldü ü gibi, bak r ve çinko levhalar suland r lm fl sülfürik asit çözeltisi içine dald r l rsa, çözelti ve metal levhalar aras nda meydana gelen kimyasal olaylar sonucunda iki levha aras nda bir elektrik ak m oluflur. Bak r Çinko fiekil 1.4 Kimyasal Etki ile Elektrik Üretme Sülfürik asit çözeltisi Elektrik enerjisi üretmede yayg n olarak manyetik etki ile sa lan r. Günlük yaflant m zda kulland m z araba, otobüs, tramvay, metro, uçak, gibi ulafl m araçlar n n çal flmas nda gerekli olan elektrik enerjisi ve evlerimizde, iflletmelerde kulland m z elektrik enerjisinin elektrik santrallerinde üretilmesinde manyetik etkiden yararlan l r. Bir iletkeni duran bir m knat s n iki kutbu aras nda hareket ettirirsek bu iletkende bir elektrik ak m oluflur. Büyük güçte enerji gerektiren durumlarda kullan l r. Manyetik etki ile elektrik enerjisi üretme konusunu ünitemizin ilerleyen bölümlerinde daha ayr nt l olarak inceleyece iz. ELEKTROMANYET K NDÜKS YON Günümüzde kulland m z bütün elektrikli aletlerin temel çal flma prensibi 1791-1867 y llar aras nda yaflam fl olan Michael Faraday n bulufllar na dayanmaktad r. nsanl k tarihinin en önemli bilim adamlar aras nda yer alan Faraday, manyetik güçten elektrik üretme anlam n tafl yan elektromanyetik indüksiyon buluflu sayesinde, elektri i anlafl lmas güç bir olay olmaktan ç karm fl, onu adeta insanl n ve endüstrinin bir kölesi haline getirmifltir. 1831 y l nda birbirlerinden ba ms z olarak Faraday n ngiltere de, Joseph Henry nin ise Amerika Birleflik Devletleri nde yapt deneyler, bir devrede manyetik alan n de ifltirilmesiyle elektrik ak m n oluflturulabilece ini göstermifltir. Ayn zamanda bu deneyler, elektrik ve manyetizma kavramlar n n birbirinden ba ms z de il aksine birbirine s k s k ya ba l nicelikler oldu unu vurgulamas aç s ndan da önemlidir.
10 Elektrik Enerjisi Üretimi Elektrik alan, elektrik alan çizgileri ile tan mland gibi manyetik alan da manyetik alan çizgileri ile tan mlan r. Manyetik alan çizgilerine herhangi bir noktada çizilen te etin yönü, o noktadaki B manyetik alan vektörünün yönünü verir. Ak m-manyetik Alan liflkisi Elektrik ve manyetizma aras ndaki iliflkinin iyi anlafl labilmesi için öncelikle manyetizma ile ilgili bilgilerimizi hat rlayal m. Bir m knat s etraf nda demir, nikel, kobalt gibi baz metalleri etkileyen bir kuvvet alan yani manyetik alan oluflur. Manyetik alan da elektrik alan gibi büyüklü ü ve yönü olan vektörel bir niceliktir. Manyetik alan vektörü B simgesiyle gösterilir. B manyetik alan vektörünün yönü yüklerin hareket yönüne diktir. Manyetik alan vektörü, manyetik alan çizgilerini oluflturur ve manyetik alan çizgileri, elektrik alan çizgilerinin aksine bir yükte bafllay p bir yükte son bulmazlar. Tersine, alan çizgileri kendi üzerine kapanan e riler olufltururlar. fiekil 1.5 te I ak m tafl yan çember fleklindeki bir ak m ilme ini saran manyetik alan çizgileri ile bir çubuk m knat s n çevresindeki manyetik alan çizgileri verilmifltir. Aç kça görüldü ü üzere, manyetik alan çizgileri de ayn elektrik alan çizgilerinde oldu u gibi birbirlerini kesmezler. Manyetik alan çizgilerini kuzey (N) kutuplu bir uçtan ç kan ve güney (S) kutuplu bir uca do ru hareket eden çizgiler olarak da düflünebiliriz. fiekil 1.5 (a) Bir Ak m lme ini Saran Manyetik Alan Çizgileri, (b) Bir Çubuk M knat s Saran Manyetik Alan Çizgileri. Manyetik alanlar n kayna yaln z m knat slar de ildir. 1819 y l nda Danimarkal bilim adam Hans Cristian Oersted, bir gösteri deneyi s ras nda üzerinden elektrik ak m geçen bir telin yak n nda duran bir pusula i nesini sapt rd n bulmas ile manyetizma ile elektrik aras nda çok önemli bir iliflki keflfetmifltir. fiekil 1.6 da gösterilen yönde ak m tafl yan uzun ve düzgün bir telin çevresinde oluflturdu u manyetik alan inceleyelim. E er bir pusula i nesi tele yak n bir konuma yerlefltirilirse, pusula i nesi telle ayn eksenli bir çembere te et olur ve böylece telle ayn eksenli çemberler biçiminde bir manyetik alan n varl anlafl lm fl olur. Beklenildi- i gibi, manyetik alan n fliddeti tele yaklaflt kça artar. fiekil 1.6, ak m tafl yan telin etraf nda oluflturdu u manyetik alan n onu nas l sard n göstermektedir. Manyetik alan çizgilerinin telin etraf nda çemberler oluflturduklar na dikkat ediniz. B nin büyüklü ü, yar çap a olan herhangi bir çember üzerindeki her noktada ayn d r.
1. Ünite - Elektrik Enerjisi ve Jeneratörler 11 I ak m tafl yan uzun ve do rusal bir telden a kadar uzakl ktaki bir noktada oluflan manyetik alan büyüklü ü B=µI/2πa ile verilir. D KKAT Manyetik alan n yönünü bulmak için kolay bir kural, baflparma n z ak m n yönünü gösterecek biçimde sa elinizle teli kavramakt r. Bu durumda di er dört parma n z manyetik alan n yönünü gösterir. fiekil 1.5 teki uzun ve do rusal telden geçen ak m n yönü de iflirse manyetik alan n yönü hakk nda ne söylenebilir? 2 SIRA S ZDE Oersted in bu keflfinden sonra ngiliz bilim adam Michael Faraday, bir iletkenden geçen ak m n manyetik alan oluflturmas na benzer flekilde bir manyetik alan n fiekil 1.6 Ak m Tafl yan Uzun ve Do rusal Bir Telin Oluflturdu u Manyetik Alan n Yönünü Belirlemeye Yarayan Sa -El Kural. da bir iletken üzerinde ak m oluflturup oluflturamayaca n merak etti. 1831 y l nda ngiltere de Faraday taraf ndan yap lan deneyler ve bundan ba ms z olarak Amerika Birleflik Devletleri nde ayn y l Joseph Henry taraf ndan gerçeklefltirilen deneyler, manyetik alan de- ifltirerek devrede bir elektromotor kuvvetin (emk) ve dolay s yla bir ak m n oluflturulabilece ini gösterdi. Zamana ba l olarak de iflen manyetik alan n bir iletkende elektrik üretti ini saptayan Faraday, bu olay elektromanyetik indüksiyon olarak olarak isimlendirmifltir. Faraday n ndüksiyon Kanunu Manyetik alan de ifltirerek bir elektromotor kuvvetin (emk) nas l olufltu unu anlamak için fiekil 1.7 de oldu u gibi galvanometreye ba lanm fl bir tel halkay ele alal m. M knat s halkaya do ru yaklaflt r ld nda galvanometrenin ibresi, fiekil 1.7a da gösterildi i gibi belli bir miktar sa a do ru sapar; bu tepki ise halkada bir ak m n olufltu unu gösterir. M knat s halkadan uzaklaflt r l rsa galvanometrenin ibresi fiekil 1.7c de görüldü ü gibi ters yönde sapar, yani oluflan ak m n yönü fiekil 1.7a da gösterilenin z t yönündedir. M knat s n hareket yönünü de ifltirmek, hareket yoluyla oluflturulan ak m n yönünün de ifltirir. Öte yandan fiekil 1.7b deki gibi m knat s halkaya göre hareketsiz kal rsa galvanometrenin ibresinin hiç sapman n olmad görülür. Son olarak, m knat s hiç hareket ettirmeden bu kez halka m knat sa yaklaflan veya uzaklaflan yönde hareket ettirilirse galvanometrenin ibresinin yine sapt görülür. Elektromotor kuvvet (emk, ε): Birim yükü mevcut elektrostatik alana karfl, bir noktadan di erine hareket ettirmek için gereken enerji miktar olarak tan mlanabilir ve. emk n n SI sisteminde birimi volt (V) tur. Galvanometre: Çok küçük elektrik ak mlar n saptamaya ve ölçmeye yarayan araçt r. Voltmetre ve ampermetrenin ana parças n oluflturur
12 Elektrik Enerjisi Üretimi fiekil 1.7 ndüksiyon Ak m n n Elde Edilmesi. Bu gözlemlerden yola ç karak, çubuk m knat s bir halkaya yaklaflt r ld nda veya uzaklaflt r ld nda halkada bir indüksiyon ak m meydana geldi ini söyleyebiliriz. Bu gözlenen indüksiyon ak m n n nedeni manyetik alan fliddetinde ortaya ç kan bir de iflimin alg lanmas d r. Böylece, ak m ile de iflen manyetik alan aras nda bir iliflkinin var oldu u görülmektedir. D KKAT Bu tür bir düzenekte devreye ba l bir batarya olmamas na ra men devreden bir ak m n geçti i gözlenir. Devreden ak m geçmesinin nedeni çubuk m knat s n devreye göre hareketidir. Etki ile(indükleme) meydana getirildi i için bu ak ma indüklenmifl ak m, bu ak - m do uran elektromotor kuvvetine de indüklenmifl emk denir. fiimdi de Faraday taraf ndan yap lan basit fakat anlam büyük bir deneyi inceleyelim. Faraday, iletken bir tel ile manyetik alan aras ndaki etkileflimin bir ak m do urup do urmayaca n anlamak için fiekil 1.8 de gösterilen deneyi tasarlam fl ve böylece elektromanyetik indüksiyon ad n verdi i olay gerçeklefltirmifltir.
1. Ünite - Elektrik Enerjisi ve Jeneratörler 13 fiekil 1.8 Faraday n Deneyi. Demirden yap lm fl bir halkan n sol taraf na düzgünce sar lm fl birincil bobin, bir anahtar ve bir üretece ba lanm flt r. Birincil devredeki anahtar kapat ld zaman birincil bobinden geçen ak m bir manyetik alan oluflturur. Demir halka, bataryan n besledi i bobinin merkezinde oluflan manyetik alan fliddetini art rmak ve sa taraf na iletmek için kullan lm flt r. Demir halkan n sa taraf nda ise yine bu halkan n etraf na sar lm fl ikincil bobin bir galvanometreye ba lanm flt r. kincil devrede herhangi bir batarya yoktur ve ikincil bobin birincil bobine ba l de ildir. kincil devrede gözlenen herhangi bir ak m, baz d fl etkenler taraf ndan oluflturulmak zorundad r. Faraday, sol taraftaki birincil devreden düzenli bir ak m geçti inde, sa taraftaki devreye ba l galvanometrede bir sapma gözleyememifltir. Öte yandan, Faraday n bu düzene inde bataryan n devreye ba lant s n sa layan birincil devredeki anahtar aniden kapat ld ve aniden aç ld zaman ise ilginç sonuçlarla karfl - lafl l r. Birincil devredeki anahtar kapat ld anda, ikincil devredeki galvanometre bir yönde sapar ve tekrar s f r konumuna geri döner. Anahtar n kapat lmas ile anahtar n bulundu u koldan ak m geçer. Anahtar aç k iken ise devre tamamlanmaz ve devreden herhangi bir ak m geçmez. Faraday n bu deneyinde neler oldu unu anlayabilmeniz için dikkat etmeniz gereken ilk nokta; anahtar kapat ld zaman, birincil bobinden geçen ak m n birincil devrede bir manyetik alan oluflturmas ve bu manyetik alan n da ikincil devreye nüfuz etmesi gerçe idir. Dahas, anahtar kapat ld zaman birincil devrede oluflan manyetik alan belirli bir zaman aral nda s f rdan belirli bir de ere ç kar ve ikincil devrede bir ak m oluflturan iflte bu de iflken manyetik aland r. Tüm bu gözlemleri de erlendiren Faraday, ikincil devrede bir elektrik ak m n n olufltu u sonucuna vard. Oluflan bu ak m, ikincil devreden geçen manyetik alan de iflti i sürece ve sadece k sa bir zaman varl n gösterir. Manyetik alan karal bir de ere ulaflt anda ikincil devredeki ak m s f ra düfler. Gerçekte, ikincil devre, sanki kendisine bir emk kayna ba lanm fl gibi davran r. Faraday, indüksiyon emk yi manyetik ak kavram yla aç klad. Bunu yapmak için, manyetik alan çizgilerinin nas l haritaland konusunda bir kural getirdi. Uza- D KKAT Emk kayna : Elektrik ak m n n oluflmas n sa layan kaynakt r.
14 Elektrik Enerjisi Üretimi fiekil 1.9 Düzgün Bir Manyetik Alan n Bulundu u Bir Ortamda A Alan na Sahip letken Bir Halka. y n belli bir bölgesindeki manyetik alan n büyüklü ü (B) belirli aral klarla çizilen manyetik alan çizgileriyle tan mlanabilir. Manyetik alan çizgilerinin yo unlu u B nin büyüklü ü ile orant l d r. Manyetik Ak Manyetik ak, belirli bir yüzeyden geçen manyetik alan çizgilerinin say s olarak ifade edilebilir. Φ B sembolü ile gösterilir. Manyetik ak kavram n anlamak için, fiekil 1.9 da gösterildi i gibi, A yüzey alan na sahip ve düzgün bir B manyetik alan içinde bulunan iletken bir halka ele alal m. Normal: Düzleme dik do rultu olarak ifade edilir ve n vektörü ile gösterilir. Böyle bir ak m halkas ndan geçen manyetik alan çizgilerinin say s n yani, manyetik ak, manyetik alan çizgileri ile bu halkan n çevreledi i yüzey aras ndaki yönelime ba l d r. fiekil 1.9 da gösterilen halkadan geçen manyetik ak Φ B, Φ B = BA cos θ (1.1a) olarak ifade edilir. Burada θ olarak gösterilen aç, halkan n normal do rultusu ile B manyetik alan aras ndaki aç d r. Bir yüzeyin normali (n) her zaman o yüzeye diktir. Örne in, flu anda gözlerinizin önünden yatay olarak sa taraf n za do ru geçip giden manyetik alan çizgileri hayal edin. Bu hayali manyetik alan çizgilerine dik olacak flekilde kitab n z yerlefltirin. Böylece manyetik alan çizgilerine dik olarak tutulan bir düzlemden geçen manyetik alan çizgileri ile düzlemin normali aras ndaki aç θ=0 olacakt r. Böylece, Eflitlik (1.1a) ya göre manyetik ak, Φi B = BA cos0 =BA (1.1b) olur. Bu de er, maksimum manyetik ak de eridir. Eflitlik (1.1) den anlafl laca üzere manyetik alan tesla (T), A yüzey alan metre 2 (m 2 ) birimi ile ifade edildi ine göre manyetik ak Φ B nin SI birim sistemindeki birimi tesla (T) - metre 2 (m 2 ) dir. Bu birime weber ad verilir ve Wb ile gösterilir. Bu tan ma göre 1weber =1.T.m 2 dir. ÖRNEK fiekil 1.9 da gösterilen dikdörtgen biçimindeki halkan n alan 0,01 m 2 olup 0,04 T büyüklü ünde düzgün bir manyetik alan içindedir. Halkan n normal do rultusu ile manyetik alan çizgileri aras ndaki aç θ=30 ise, bu halkadan geçen manyetik ak nedir?
1. Ünite - Elektrik Enerjisi ve Jeneratörler 15 Çözüm: Manyetik ak ifadesi Φ B = BA cos θ oldu una göre halkadan geçen ak, Φ B = BA cos θ= (0,04T) (0,01T) (0,01m 2 ) cos30 =3,46.10-4 Wb olarak bulunur. fiekil 1.9 da gösterilen halkan n normal do rultusu ile manyetik alan çizgileri aras ndaki aç θ =90 olursa, bu ilmekten geçen manyetik ak ne olur? Faraday deneylerinin ortak noktas ; her bir durumda devreden geçen manyetik ak zamanla de iflti inde, devrede bir emk oluflmas d r. Genel olarak indüklenmifl ak mlar ve emk leri içeren gözlemleri özetleyen ifade flöyledir: Bir devrede indüklenen emk (ε), devreden geçen manyetik ak n n zamana göre de iflimi ile do ru orant l d r. Faraday deneylerinden yola ç karak devredeki iletken halkadan geçen manyetik alan çizgilerinin say s de iflti inde di er bir ifadeyle manyetik ak de iflti inde indüklenmifl emk ve indüklenmifl ak m n olufltu unu sonucuna varabiliriz. Buna göre; ilk deneyde, manyetik alan çizgileri m knat s n kuzey kutbundan ayr l r. M knat s n kuzey kutbu halkaya do ru hareket ettirildi inde halkadan geçen alan çizgilerinin say s artar. Bu art fl halkadaki iletkenlik elektronlar n n hareket etmesine (indüklenmifl ak m) neden olur ve hareket etmeleri için elektronlara enerji sa lar (indüklenmifl emk). M knat s n hareketi durdu unda halkadan geçen manyetik alan çizgileri de iflmez ve indüklenmifl ak m ve emk s f r olur. kinci deneyde ise anahtar aç kken manyetik alan çizgileri yoktur, çünkü ak m yoktur. Fakat anahtar kapat ld nda birincil bobinden ak m geçmeye bafllar, artan ak m halka etraf nda ve ikincil devrede bir manyetik alan yarat r. Manyetik alan olufltu unda, ikincil bobinden geçen manyetik alan çizgilerinin say s artar. lk deneydeki gibi halkadan geçen alan çizgileri burada bir ak m ve bir emk indükler. Birincil devredeki ak m kararl duruma ulaflt nda ikincil bobindeki alan çizgilerinin say s de iflmez ve indüklenen ak m ve indüklenen emk (ε) yok olur. Manyetik ak de iflimi, son durumdaki ak yla ilk durumdaki ak n n fark na eflittir. Bu durumda manyetik ak de iflimi, Φ B = Φ Bson Φ Bilk (1.2) olarak ifade edilir. Böylece, Faraday n indüksiyon yasas olarak bilinen matematiksel ifade, ε = Φ B (1.3) t fleklinde yaz labilir. Devre, ayn alana sahip N tane sar mdan oluflursa ve Φ B bir sar mdan geçen manyetik ak olursa, her sar mda bir emk oluflur. Böylece, bobinde yani devrede oluflan toplam emk ε, afla daki flekilde ifade edilir. 3 SIRA S ZDE
16 Elektrik Enerjisi Üretimi Φ ε = N B ( Φ = N Bson ΦBilk ) t t t son ilk (1.4) ndüklenmifl emk manyetik ak n n de iflme h z na ba l d r. Faraday Yasas ndaki eksi (-) iflaretinin fiziksel önemi büyüktür ve indüklenen ak m n yönüyle ilgilidir. Bu ifadeden, emk n n devrede pek çok yolla indüklenebilece i görülmektedir: B nin büyüklü ü zamanla de iflti inde, Halkan n çevreledi i yüzey alan zamanla de iflti inde, B ile halkan n normali n aras ndaki aç (θ) zamanla de iflti inde, Yukar da verilen durumlar n herhangi bir bileflimi ile indüklenen emk de iflebilir. ÖRNEK Bir kenar 20cm olan 50 sar ml k kare fleklindeki iletken halka, uzayda düzgün olan bir manyetik alana dik olarak yerlefltiriliyor. Manyetik alan n büyüklü ü sabit bir h zla, 1 milisaniye (ms) içinde 0,05 militesla (mt) dan s f ra azalt lmaktad r. Bu zaman aral içinde halkada indüklenen emk (ε) nin büyüklü ü kaç milivolt (mv) tur? Çözüm: Halkada indüklenen emk Faraday yasas na göre, ile ifade edilir. Manyetik ak de iflimini bulabilmek için öncelikle halkan n çevreledi i yüzey alan hesaplanmal d r. Ak m halkas n n çevreledi i alan, A= a 2 = (0,2m) 2 = 4.10-2 m 2 (karenin alan ) bulunur. Halka manyetik alan dik olarak yerlefltirildi ine göre, manyetik alan ve halkan n normali aras ndaki aç θ = 0 dir. Böylece ilk ve son durumdaki manyetik ak lar, Φ Bilk B ilk A cosθ 0, 05. 10-3 T 4. 10-2 m 2 cos0 = 2.10-6 Wb ve Φ ε = N B ( Φ = N Bson ΦBilk ) t t t Φ Bson = =( )( ) = B son A cosθ = 0 son bulunur. ndüklenen emk nin büyüklü ü ise, ilk Faraday yasas bir devrede manyetik ak zamanla de iflti inde indüksiyon ak - m n n oluflaca n ifade eder. Fakat bu yasa oluflan ak m n yönünü söylemez. Oluflan ak m n yönü Lenz yasas yla bulunur. Bu yasaya göre indüksiyon ak m, ken- ( Φ ε = N Bson ΦBilk ) tson tilk olacakt r.. = ( 50 sarım) (0-2 10-6 ) Wb -3 1. 10 s 3 = 100. 10 V = 100 mv SIRA S ZDE 4 Faraday yasas ile bir devrede indüklenen ak m n de eri, Lenz yasas ile de bu ak m n yönü bulunur. Yar çap 35 mm olan 75 sar ml dairesel iletken halka, uzayda düzgün olan bir manyetik alana dik olarak yerlefltiriliyor. Manyetik alan n büyüklü ü sabit bir h zla, 240 milisaniye (ms) içinde 18 militesla (mt) dan 73 militesla (mt) ya ç kar l yor. Bu zaman aral içinde halkada indüklenen emk (ε) nin büyüklü ü kaç mv tur?
1. Ünite - Elektrik Enerjisi ve Jeneratörler 17 disini oluflturan nedene karfl koyacak flekilde yönelir. Faraday yasas ndaki eksi (-) iflareti bu karfl koymay ifade eder. Lenz yasas n daha önce inceledi imiz fiekil 1.7 de verilen düzene e uygulayal m. fiekil 1.7a da oldu u gibi m knat s halkaya yaklaflt r ld nda halkadan geçen manyetik alan çizgilerinin say s yani ak artar. Lenz kanuna göre halkada indüklenen ak m, ak daki bu art fla karfl koyacak flekilde yönelir. Di er bir deyiflle indüksiyon ak m ak daki art fl engellemeye çal fl r ve m knat s n manyetik alan na ters yönde (soldan sa a do ru) ikincil bir manyetik alan oluflturur. Sa el kural na göre bu yönde bir manyetik alan oluflmas için indüksiyon ak m saat ibreleri yönünde olmal d r. fiekil 1.7c de ise m knat s halkadan uzaklaflt r lmaktad r. Bu durumda manyetik ak azal r. ndüklenen ak m, bu kez ak y artt rmaya çal fl r ve m knat s n manyetik alan ile ayn yönlü (sa dan sola do ru) bir manyetik alan oluflturur. Sa el kural tekrar uygulan rsa bu kez ak m n yönü saat ibrelerinin tersi yönünde bulunur. Hareketsel Emk Buraya kadar olan tart flmalar m zda bir iletken halkadan geçen manyetik ak zamanla de iflti inde devrede meydana gelen emk yi örnekleriyle inceledik. Bu kesimde ise B manyetik alan n n büyüklü ünü de ifltirmeden iletken bir çubu u bu manyetik alan içerisinde hareket ettirece iz. Düzgün bir manyetik alanda bir iletkenin hareket ettirilmesiyle iletken üzerinde bir indüksiyon emk meydana gelir. Buna hareketsel emk denir. Tart flmaya fiekil 1.10 da gösterilen basit deneyi göz önüne alarak bafllayal m. Boyu l olan iletken çubuk, mrsn harfleriyle gösterilen U-fleklindeki iletken tel üzerinde, rs ucuna paralel olarak ν h z yla sa a do ru hareket etsin. Çubuk ve teller, çubu un solunda pqrsp ilme ini oluflturur. Bu ilme i, direnci tellerin direncine eflit basit bir elektrik devresi olarak düflünebiliriz. Ancak, bu düzenekte devreyi besleyen herhangi bir üretecin olmad n unutmayal m. Hareketsel emk: Manyetik alan içerisinde bir iletkenin hareket ettirilmesi ile iletkende oluflan emk d r. fiekil 1.10 Hareketsel Emk v Böyle bir deney düzene inde, çubuk sa a do ru hareket ettikçe bu ilme in alan artar. Çubuk ve telin bulundu u bölgede sayfa düzleminden d flar ya do ru (yani size do ru) bir B manyetik alan n bulundu unu varsayal m. Çubuk teller bo-
18 Elektrik Enerjisi Üretimi yunca hareket ederken ilmek alan ndan geçen manyetik ak, alan artt kça artar. Böylece ilmekte bir emk oluflur (indüklenir). Bu emk yi bulmak için, öncelikle yuvarlanan çubu un t süresince ν t kadar yol ald na dikkat edelim. Sonuç olarak, pqrsp ilme inin alan flekilde gölgeli olarak gösterilen alan kadar, yani A=l (ν t) kadar artar. Alan art fl sonucu ilmekten geçen manyetik ak de iflimi; Φ Β = B Α=Βlν t (1.5) olacakt r. Böylece, Faraday n indüksiyon kanununa göre, ilmekte indüklenen emk, Φ ε = B = B l v (1.6) t olacakt r. Burada manyetik ak de iflimi Φ Β / t nin iki farkl biçimde de iflimi söz konusudur. Manyetik ak, artan flekilde de iflebilece i gibi azalarak da de iflebilir. Örne in, bir ilmekte manyetik ak artmas nedeniyle bir emk olufluyorsa, bu durumda ε= Blν olacakt r. Bununla beraber, yine bir ilmekten geçen manyetik ak azal yorsa, bu durumda ilmekte oluflan emk, ε=+blν olacakt r. Söz konusu bu iletken çubuk fiekil 1.10 da gösterildi i gibi bir devrenin parças oldu unda, indüklenen emk nedeniyle devreden bir indüksiyon ak m geçer. Eflitlik (1.6) daki ifadenin önündeki eksi iflaretine dikkat edilmelidir. Bu durumda, oluflan emk nin iflareti, ilmekte oluflan ak m n yönü ile iliflkilidir. SIRA S ZDE 5 fiekil 1.11 Boyutlar l ve w olan dikdörtgen bir metalik halka, fiekil 1.11 de gösterildi i gibi sayfa düzlemine dik ve içeriye do ru yönelmifl olan düzgün bir B manyetik alan içinden, sabit bir ν h z yla sa a do ru hareket ediyor. I, II ve III ile gösterilen her bir durum için ilmekteki indüklenmifl hareketsel emk nin de eri nedir? ω Geniflli inde, l Uzunlu unda Olan, Düzgün Bir Manyetik Alan çinde Sabit Bir ν H z yla Hareket Eden Dikdörtgen Bir Metalik Halka. E er fiekil 1.10 da görülen iletken çubu un üzerinde hareket etti i telin direnci R ise devrede oluflan indüksiyon ak m n n büyüklü ü, ε B l v I = = (1.7) R R ile verilir. Bu deney düzene ine ait eflde er elektrik devresi fiekil 1.12 de gösterilmifltir. Böylece, hareketsel emk sayesinde art k devremizi besleyen bir üreteç söz konusudur. Devreye güç sa layan bu sanal üreteç, iletken çubu un hareketi nedeniyle manyetik ak de iflimi sonucu oluflan indüklenmifl emk dir. Böyle bir devrede, hareketsel emk taraf ndan devreye sa lanan güç,