Elektromanyetik İndüksiyon

Tel daha sonra bir bobine sarılırsa, manyetik alan büyük ölçüde yoğunlaşır ve kendi etrafında ayrı bir Kuzey ve Güney kutbu oluşturan bir çubuk mıknatıs şeklini oluşturan statik bir manyetik alan oluşturur.

Bobin çevresinde gelişen manyetik akı, gösterildiği gibi bobin sargılarında akan akım miktarı ile orantılıdır. Aynı bobin üzerine, içinden aynı akım geçen ilave tel katmanları sarılırsa, statik manyetik alan gücü artar.

Elektromanyetik İndüksiyon
Hava Çekirdekli Boş Bobin

Bu nedenle, bir bobinin manyetik alan gücü, bobinin amper dönüşleriyle belirlenir. Bobin içinde daha fazla tel dönüşü ile, etrafındaki statik manyetik alanın gücü o kadar büyük olur.

Ama ya bu fikri bobinden elektrik akımını keserek tersine çevirsek ve içi boş bir çekirdek yerine tel bobinin çekirdeğinin içine bir çubuk mıknatıs yerleştirsek, bu çubuk mıknatısı bobinin “içeri” ve “dışarı” hareket ettirerek, içindeki manyetik akının fiziksel hareketi ile bobine bir akım indüklenecektir.

Benzer şekilde çubuk mıknatısı sabit tutarsak ve bobini manyetik alan içinde ileri geri hareket ettirirsek, bobinde bir elektrik akımı indüklenir. Sonra ya teli hareket ettirerek ya da manyetik alanı değiştirerek bobin içinde bir voltaj ve akım indükleyebiliriz. Bu süreç Elektromanyetik İndüksiyon olarak bilinir ve transformatörlerin, motorların ve jeneratörlerin temel çalışma prensibidir.

Elektromanyetik İndüksiyon ilk olarak 1830’larda Michael Faraday tarafından keşfedildi. Faraday, kalıcı bir mıknatısı bir bobinin veya tek bir tel halkasının içine ve dışına hareket ettirdiğinde, bunun bir elektromotor kuvvet veya emk, başka bir deyişle bir Gerilim indüklediğini ve bu nedenle bir akım üretildiğini fark etti.

Böylece Michael Faraday’ın keşfettiği şey, pilleri değil, yalnızca manyetik alan gücünü kullanarak bir devrede elektrik akımı üretmenin bir yoluydu. Bu daha sonra elektriği manyetizma ile bağlayan çok önemli bir yasaya, Faraday’ın Elektromanyetik İndüksiyon Yasasına yol açar. Peki bu nasıl çalışıyor?

Aşağıda gösterilen mıknatıs bobine “doğru” hareket ettirildiğinde, temelde çok hassas bir merkez sıfır’lı hareketli bobin ampermetresi olan Galvanometrenin ibresi veya iğnesi, merkez konumundan sadece bir yönde sapacaktır. Mıknatıs hareketi durduğunda ve bobine göre sabit tutulduğunda, manyetik alanın fiziksel hareketi olmadığı için galvanometrenin iğnesi sıfıra döner.

Benzer şekilde, mıknatıs bobinden diğer yönde “uzaklaştırıldığında”, galvanometrenin iğnesi, polaritede bir değişiklik olduğunu gösteren birincisine göre ters yönde sapar. Ardından mıknatısı bobine doğru ileri geri hareket ettirerek, galvanometrenin iğnesi, mıknatısın yön hareketine göre sola veya sağa, pozitif veya negatif yönde sapacaktır.

Hareketli Mıknatısla Elektromanyetik İndüksiyon

Elektromanyetik İndüksiyon
Hareketli Mıknatısla Elektromanyetik İndüksiyon

Benzer şekilde, mıknatıs şimdi sabit tutulursa ve YALNIZCA bobin mıknatısa doğru veya mıknatıstan uzağa hareket ettirilirse, galvanometrenin iğnesi de her iki yönde de sapacaktır. Daha sonra, bir manyetik alan içinde bir bobini veya tel halkasını hareket ettirme eylemi, bobinde bir voltajı indükler ve bu indüklenen voltajın büyüklüğü hareketin hızı veya hızıyla orantılıdır.

O zaman manyetik alanın hareketi ne kadar hızlı olursa, bobinde indüklenen emk veya voltajın o kadar büyük olacağını görebiliriz, bu nedenle Faraday yasasının doğru olması için bobin ve manyetik alan arasında “göreceli hareket” veya hareket olmalıdır.

Faraday’ın İndüksiyon Yasası

Yukarıdaki açıklamadan, Michael Faraday’ın ünlü elektromanyetik indüksiyon yasasının belirttiği, bir elektrik voltajı ile değişen bir manyetik alan arasında bir ilişkinin var olduğunu söyleyebiliriz: “Bir iletken ile bir manyetik arasında bağıl hareket olduğunda, bir devrede bir voltaj indüklenir. alan ve bu voltajın büyüklüğü akının değişim hızıyla orantılıdır”. Başka bir deyişle, Elektromanyetik İndüksiyon, voltaj ve kapalı bir devrede akım üretmek için manyetik alanların kullanılması işlemidir.

Yani sadece manyetizma kullanılarak bobine ne kadar voltaj (emk) indüklenebilir. Bu aşağıdaki 3 farklı faktör tarafından belirlenir.

  • Bobin içindeki tel sarımlarının sayısının arttırılması – Manyetik alanı kesen bireysel iletkenlerin miktarını artırarak, üretilen indüklenen emk miktarı, bobinin tüm bireysel döngülerinin toplamı olacaktır,. Yani eğer 20 dönüş varsa bobin, tek parça telden 20 kat daha fazla indüklenmiş emk olacaktır.
  • Bobin ve mıknatıs arasındaki bağıl hareketin hızının arttırılması – Aynı manyetik alandan aynı tel bobini geçerse ve hızı artarsa, tel akı çizgilerini daha hızlı kesecek ve böylece daha fazla emk indüklenecektir..
  • Manyetik alanın gücünün arttırılması – Aynı tel bobini daha güçlü bir manyetik alan içinde aynı hızda hareket ettirilirse, kesilecek daha fazla kuvvet çizgisi olduğundan daha fazla emk üretilecektir.

Yukarıdaki diyagramdaki mıknatısı bobinin içinde ve dışında durmadan sabit bir hızda ve mesafede hareket ettirebilseydik, bir pozitif kutup ile negatif kutup arasında değişen sürekli indüklenen bir voltaj üretir ve alternatif veya AC çıkışı üretir. voltaj ve bu, bir elektrik jeneratörünün dinamolarda ve araba alternatörlerinde kullanılanlara benzer şekilde çalışmasının temel prensibidir.

Bisiklet dinamosu gibi küçük jeneratörlerde, sabit bir bobin içindeki bisiklet tekerleğinin hareketiyle küçük bir kalıcı mıknatıs döndürülür. Alternatif olarak, her iki durumda da bir alternatif akım üreten büyük güç jeneratörlerinde olduğu gibi sabit bir DC voltajıyla çalışan bir elektromıknatıs sabit bir bobin içinde döndürülebilir.

Manyetik İndüksiyon Kullanan Basit Jeneratör

Elektromanyetik İndüksiyon
Manyetik İndüksiyon Kullanan Basit Jeneratör

Yukarıdaki basit dinamo tipi jeneratör, bu dönen manyetik alanın yanına yerleştirilmiş bir tel bobini ile merkezi bir şaft etrafında dönen kalıcı bir mıknatıstan oluşur. Mıknatıs döndükçe, bobinin üst ve alt tarafındaki manyetik alan sürekli olarak kuzey ve güney kutbu arasında değişir. Manyetik alanın bu dönme hareketi, Faraday’ın elektromanyetik indüksiyon yasası tarafından tanımlandığı gibi bobinde indüklenen alternatif bir emk ile sonuçlanır.

Elektromanyetik indüksiyonun büyüklüğü, akı yoğunluğu ile doğru orantılıdır, β, iletkenin toplam uzunluğunu, metre cinsinden l ve iletken içindeki manyetik alanın metre/saniye cinsinden değiştiği hız veya hız, ν veren döngü sayısı veya m/s, hareket emk ifadesi ile verilir:

Faraday’ın Hareketli EMK İfadesi

Elektromanyetik İndüksiyon

İletken manyetik alana dik açılarda (90°) hareket etmezse, yukarıdaki ifadeye θ° açısı eklenerek açı arttıkça azaltılmış bir çıktı elde edilir:

Lenz’in Elektromanyetik İndüksiyon Yasası

Faraday Yasası bize, bir iletkene voltaj indüklemenin, onu bir manyetik alandan geçirerek veya manyetik alanı iletkenden geçirerek yapılabileceğini ve bu iletken kapalı bir devrenin parçasıysa, bir elektrik akımının akacağını söyler. Bu voltaj, Faraday yasasındaki negatif işaret ile bize indüklenen akımın yönünü (veya indüklenen emk’nın polaritesini) söyleyen elektromanyetik indüksiyon nedeniyle değişen bir manyetik alan tarafından iletkene indüklendiğinden, indüklenmiş bir emk olarak adlandırılır.

Ancak değişen bir manyetik akı, Elektromıknatıslar eğitiminde gördüğümüz gibi, kendi manyetik alanını üretecek olan bobin boyunca değişen bir akım üretir. Bu kendi kendine indüklenen emk, buna neden olan değişime karşı çıkar ve akımın değişim hızı ne kadar hızlı olursa, karşıt emk o kadar büyük olur. Bu kendi kendine indüklenen emk, Lenz yasasına göre bobindeki akımdaki değişime karşı çıkacaktır. Yönü nedeniyle bu kendi kendine indüklenen emk genellikle geri emk olarak adlandırılır.

Lenz Yasası şöyle der: “uyarılmış bir emk’nın yönü, kendisine neden olan değişime her zaman karşı çıkacak şekildedir”. Başka bir deyişle, indüklenen bir akım, ilk başta indüklenen akımı başlatan harekete veya değişime her zaman KARŞI OLUR ve bu fikir Endüktans analizinde bulunur. Benzer şekilde, eğer manyetik akı azalırsa, o zaman indüklenen emk, orijinal akıya eklenen manyetik akı üreterek ve indükleyerek bu azalmaya karşı çıkacaktır.

Lenz yasası, indüklenen akımların akış yönünü belirlemek için elektromanyetik indüksiyondaki temel yasalardan biridir ve enerjinin korunumu yasası ile ilgilidir. Evrendeki toplam enerji miktarının her zaman sabit kalacağını belirten enerjinin korunumu yasasına göre, enerji yaratılamaz ve yok edilemez. Lenz yasası, Michael Faraday’ın indüksiyon yasasından türetilmiştir.

Elektromanyetik indüksiyonla ilgili Lenz Yasası hakkında son bir yorum. Artık bir iletken ile bir manyetik alan arasında bağıl bir hareket olduğunda, iletken içinde bir emk indüklendiğini biliyoruz.

Ancak iletken aslında bobinlerin elektrik devresinin bir parçası olmayabilir ancak bobinlerin demir çekirdeği veya örneğin bir transformatör gibi sistemin başka bir metalik parçası olabilir. Sistemin bu metalik parçası içinde indüklenen emk, etrafında dolaşan bir akımın akmasına neden olur ve bu tip çekirdek akımı, Girdap Akımı (Eddy current) olarak bilinir.

Elektromanyetik indüksiyon tarafından üretilen girdap akımları, manyetik akı için tek bir tel döngüsü gibi hareket ettikleri için bobin çekirdeği veya manyetik alan içindeki herhangi bir metalik bileşen etrafında dolaşır. Girdap akımları sistemin kullanışlılığına herhangi bir katkıda bulunmazlar. Bunun yerine çekirdek içinde dirençli ısıtma ve güç kaybı üreten negatif bir kuvvet gibi davranarak indüklenen akımın akışına karşı çıkarlar. Ancak ferromanyetik metalleri ısıtmak ve eritmek için yalnızca girdap akımlarının kullanıldığı elektromanyetik indüksiyon fırını uygulamaları vardır.

Bir Transformatörde Dolaşan Girdap Akımları

Elektromanyetik İndüksiyon
Bir Transformatörde Dolaşan Girdap Akımları

Yukarıdaki bir transformatörün demir çekirdeğindeki değişen manyetik akı, yalnızca birincil ve ikincil sargılarda değil, aynı zamanda demir çekirdekte de bir emk indükleyecektir. Demir çekirdek iyi bir iletkendir, bu nedenle katı bir demir çekirdekte indüklenen akımlar büyük olacaktır. Ayrıca girdap akımları, Lenz yasasına göre birincil bobin tarafından oluşturulan akıyı zayıflatacak şekilde hareket eden bir yönde akar. Sonuç olarak, belirli bir B alanını üretmek için gereken birincil bobindeki akım artar, bu nedenle histerezis eğrileri H ekseni boyunca daha kalındır.

Elektromanyetik İndüksiyon

Girdap akımı ve histerezis kayıpları tamamen ortadan kaldırılamaz ancak büyük ölçüde azaltılabilir. Transformatörün veya bobinin manyetik çekirdek malzemesi olarak katı bir demir çekirdeğe sahip olmak yerine, manyetik yol “lamine edilir”.

Bu laminasyonlar, katı bir çekirdek üretmek için bir araya getirilen çok ince yalıtımlı (genellikle vernikli) metal şeritlerdir. Laminasyonlar demir çekirdeğin direncini arttırır, böylece girdap akımlarının akışına karşı genel direnci arttırır, böylece çekirdekte indüklenen girdap akımı güç kaybı azalır ve bu nedenle transformatörlerin manyetik demir devresi ve elektrik makinelerinin tamamı laminedir.