Manyetik İndüksiyon

Manyetik akı birim yüzeyden dik geçen manyetik
alan çizgi sayısıyla orantılı bir niceliktir. Ф sembolü ile
gösterilip birimi weber (Wb) ile ifade edilir. Manyetik akı;
Ф = BScosα ile verilir. Burada α açısı yüzeyin normali ile
manyetik alan çizgileri arasında kalan açı ve S ise
halkanın alanıdır.

Ф = BScosα = (4T)(0,1m.0,2m)(cos53) = 0,048Wb olarak bulunur.

Dikkat edilirse soruda yüzeyin normali ile
manyetik alan çizgileri arasında kalan açı (α) değil bu
manyetik alan çizgileriyle dikdörtgen yüzeyin arasında
kalan açı sorulmaktadır. Manyetik akının maksimum
olabilmesi için α=0° olmalıdır. Yani manyetik alan
çizgileri yüzeye dik girip çıkmalıdır. Bu durumda
manyetik alan vektörüyle dikdörtgen yüzeyin oluşturduğu
düzlem arasında kalan açı 90° olur. Yani halka düzlemi
manyetik alana dik olmalıdır.

Çok küçük akım değerlerini yüksek hassasiyetle
okuyabilen galvanometreye bağlı bir halkaya bir mıknatıs
yaklaştırılıp uzaklaştırıldığı takdirde, galvanometrenin
ibresinde sapmalar gözlenir. Başka bir deyişle halka
üzerinde bir akım oluşur ve galvanometre bu akımı okur.
Bu şekilde oluşan akıma indüklenmiş akım ya da
indüksiyon akımı denir.

Çok küçük akım değerlerini yüksek hassasiyetle
okuyabilen galvanometreye bağlı bir halkaya bir mıknatıs
yaklaştırılıp uzaklaştırıldığı takdirde, galvanometrenin
ibresinde sapmalar gözlenir. Başka bir deyişle halka
üzerinde bir akım oluşur ve galvanometre bu akımı okur.
Bu şekilde oluşan akıma indüklenmiş akım ya da
indüksiyon akımı denir. Çünkü bu akım sisteme pil veya
akü gibi doğrudan bağlı bir güç kaynağı tarafından
üretilmemiştir. Burada iletken bir tel tarafından çevrelenen
yüzeyden geçen manyetik akı değişimi söz konusudur.
Manyetik akıdaki bu değişim bir elektromotor kuvveti
(emk) ve dolayısıyla bir akım doğurmuştur. İngiliz bilim
insanı Michael Faraday’ın (1791-1867) manyetik
indüksiyon olayının açıklanmasına olan katkılarından
ötürü bu etki Faraday Yasası olarak bilinmektedir.

Bir çerçeve üzerinde manyetik akı değişirse,
gördük ki indüklenmiş bir emk ve bir indüksiyon akımı
oluşmaktadır. Faraday Yasası olarak bilinen bu durum
aşağıdaki eşitlikle tanımlanmaktadır :

Bu eşitlikte, ε indüksiyon elektromotor kuvveti,
Ф manyetik akı, t ise zamandır. Bu eşitlik, tek sarımlı bir
halka veya çerçeve için geçerlidir. N sarımlı bir çerçeve
sistemi veya bobin için eşitlik aşağıda verildiği gibi
olacaktır :

Yukarıda verilen eşitliklerde yer alan (–) işareti Lenz
Yasası’nın bir sonucu olup, indüksiyon akımının yönünün
belirlenmesinde daha anlamlı bir hale gelecektir.
İndüksiyon akımının büyüklüğü ise R halkanın veya
halkalar sisteminin direnci olmak üzere; I = ε / R olarak
hesaplanır.

Mıknatıs halkaya yaklaştırılırsa halka yüzeyinden
geçen manyetik alan çizgi sayısı artacak, mıknatıs
halkadan uzaklaştırılırsa halka yüzeyinden geçen manyetik
alan çizgi sayısı azalacaktır. Bu her iki durum da manyetik
akının değişeceği ve bir indüksiyon akımı oluşacağı
anlamına gelir. Bundan başka benzer şekilde halka da
mıknatısa yaklaştırılıp uzaklaştırılacak olursa benzer
durum ortaya çıkacaktır. Bir çerçeve üzerinde manyetik
akı değişirse, gördük ki indüklenmiş bir emk ve bir
indüksiyon akımı oluşmaktadır.

İletken bir tel belirli koşullar altında manyetik bir
alan içerisinde hareketine bağlı olarak büyüklüğü; ε = BvL
eşitliği ile verilen bir emk üretir. Burada B manyetik
alanın şiddeti, v telin hızı, L ise uzunluğudur.

Faraday Yasası bize iletken bir çerçeve üzerinde
manyetik akı değişimine bağlı olarak bir indüksiyon
elektromotor kuvveti ve indüksiyon akımı oluşacağını
söyler. Alman fizikçi Heinrich Lenz (1804-1865)
tarafından ortaya konan ve Lenz Yasası olarak bilinen
yasa ise, çerçevedeki bu indüksiyon akımının dolayısıyla
indüksiyon emk’sının yönünü belirlememizi sağlar. Lenz
Yasası gereği devrede oluşacak indüksiyon akımı kendini
oluşturan manyetik akı değişimine karşı koyacak yönde
bir indüklenmiş manyetik alan oluşturmak zorundadır.
Başka bir deyişle çerçeve içinde manyetik akı artıyorsa bu
akıyı azaltacak yönde, azalıyorsa da arttıracak yönde bir
indüksiyon akımı ve manyetik alan oluşturulması esasına
dayanmaktadır. Buna göre manyetik akı artıyorsa,
indüksiyon akımının oluşturacağı manyetik alan dış
manyetik alana ters yönde, manyetik akı azalıyor ise dış
manyetik alanla aynı yönde olur. Kısacası; Lenz
Yasası’nda, manyetik akı değişimine bağlı olarak oluşacak
indüksiyon akımının yönü tayin edilir. Bu yasaya göre dış
manyetik alanın neden olduğu manyetik akı azalıyorsa onu
arttıracak yönde, artıyor ise azaltacak yönde bir manyetik
alan oluşturacak şekilde indüksiyon akımı oluşumu
öngörülmektedir.

Mıknatıs çembere yaklaştıkça çemberin
sınırlandırdığı dairesel bölgeden geçen manyetik alan
çizgi sayısı artacaktır. Kısacası manyetik akı artacaktır.
Lenz Yasası manyetik akı artışı söz konusu olduğunda
indüksiyon akımının oluşturacağı manyetik alanın
yönünün ilk manyetik alana ters yönde olması gerektiğini
söyler. Şu halde indüksiyon manyetik alanı yukarı yönde
olmalıdır. Sağ el başparmağımız, halka sağ el avuç içine
alınırsa dört parmak indüksiyon akımının yönünü verir.
Bu durumda indüksiyon akımının yönü aşağıya doğru
olur.

Akım taşıyan tel sağ el kuralı gereği çember
üzerinde sayfa düzleminden dışarı (ʘ) olacak şekilde
manyetik alan üretecektir. Akım taşıyan düzgün ve uzun
tel için sağ el kuralında başparmak akım yönünü
gösterecek şekilde tel tutulur ve dört parmak tel etrafında
döndürülecek olursa tel tarafından oluşturulan manyetik
alanın yönü bulunmuş olur. Teldeki akımın artmasına
bağlı olarak manyetik alanın büyüklüğü artacaktır.
Dolayısıyla çember üzerindeki manyetik akı artacaktır. Bu
durumda Lenz Yasası bu akıyı azaltacak yönde manyetik
akı oluşturacak bir indüksiyon akımı öngörür. O halde
indüksiyon akımının oluşturacağı manyetik alan sayfa
düzleminden içeri (⊗) doğru olmalıdır. Sağ el başparmağı
sayfa düzleminden içeri yönü gösterecek şekilde halka sağ
el avuç içiyle kavranırsa dört parmak indüksiyon akımının
yönünü verir. Bu durumda indüksiyon akımı saat ibreleri
yönündedir.

İndüksiyon akımı oluşabilmesi için manyetik akı
değişimi olmalıdır. Bu durumda;
a. Doğrusal tel üzerinde taşınan akım artar veya
azalırsa,
b. Doğrusal akım taşıyan tel dairesel iletkenden
uzaklaştırılır veya dairesel iletken tele
yaklaştırılırsa,
c. Aynı şekilde dairesel iletken tel, doğrusal akım
taşıyan telden uzaklaştırılır veya yaklaştırılırsa,
d. Dairesel telin boyutları zaman içerisinde artacak
veya azalacak olursa,
e. Dairesel iletken tel merkezi etrafında düzlem
dışında döndürülecek olursa
bir indüksiyon akımından söz etmek mümkün olur.

Kapalı bir devreye akım verildiğinde, akım
kararlı değerine ulaşana kadar artış göstermektedir. Bu
durum devre ilmeğinde ana kaynağa zıt yönde bir emk
indükler. Olay harici bir etki olmaksızın devrenin
kendinden kaynaklandığı için özindüksiyon olarak
adlandırılmaktadır ve indüklenen emk (ε);

eşitliği yardımıyla hesaplanabilir. Bu eşitlikte yer alan
L katsayısı devrenin geometrik yapısına ve fiziksel
özelliklerine bağlı olarak değişen ve indüktans olarak
adlandırılan bir katsayıdır. SI’ da indüktansın birimi henry
(H) ile verilir.

N sarımlı, S kesit alanına ve l uzunluğuna sahip
bir solenoid için indüktans;

eşitliği ile hesaplanır. Lenz Yasası’nın bir sonucu olarak,
solenoid akımı zamanla azalıyorsa indüksiyon akımı devre
akımıyla aynı yönde, artıyorsa ise ters yönde olacak
şekilde oluşur.

Jeneratörler mekanik enerjiyi elektrik enerjisine
çevirmede kullanılan aletlerdir. Elektrik motorlarının
elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirdiğini
öğrenmiştik. Jeneratörler benzer prensiplerden yola
çıkmakla birlikte elektrik motorlarının tam tersine
mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren araçlardır.
Elektrik motorlarında manyetik alan içerisindeki iletken
çerçeveden akım geçirilince halka döner yani elektrik
enerjisinden mekanik enerji sağlanmış olur. Jeneratörler
de ise buna benzer şekilde, şayet manyetik alan
içerisindeki iletken halka bir dış etkiyle döndürülürse,
çerçeve üzerinde manyetik akı değişimi söz konusu
olacağından hareket enerjisinden manyetik indüksiyona
bağlı olarak bir indüksiyon akımı elde edilecektir.
Jeneratörler günlük hayatın içerisinde evlerde, küçük veya
büyük işletmelerde, fabrikalarda ve değişik alanlarda
elektrik kesintisi yaşandığı hallerde elektrik sağlayıcı
olarak kullanılmaktadırlar.

Transformatörler akım ve gerilim (voltaj)
değerlerini alçaltabilen veya yükseltebilen aletlerdir.
Elektrik iletiminde kaybın en aza indirilmesi için yüksek
gerilimli ve düşük akımlı iletim profili tercih edilmektedir.
Çünkü yüksek akım değerleri tellerde aşırı ısınmaya neden
olacağından enerji kaybı yüksek olacaktır.
Transformatörler ya da trafoların en temel işlevlerinden
bir tanesi elektrik enerjisini üretildikleri yerlerden uzak
noktalara kaybın en az düzeyde olacak şekilde
taşınmasıdır. Dolayısıyla transformatörler özelliklerine
bağlı olarak farklı oranlarda akım-gerilim değerlerini
manipüle etmede kullanılırlar. Bu esnada frekansta bir
değişiklik olmaz. Bir transformatörde giriş (primer) ve
çıkış (sekonder) ucu olarak iki farklı bölge tanımlanabilir.

Bir transformatörün giriş ucundaki iletken telin
sarım sayısının NP, çıkış ucundaki iletken telin sarım
sayısının ise NS olduğunu varsayalım.
Giriş ucundaki akım ve gerilim değerleri IP ve VP, çıkış
ucundaki akım ve gerilim değerleri ise IS ve VS olarak
verilsin. Bu durumda güç kaybının olmadığı ideal bir
transformatör için; VP IP = VS IS ve VP NS = VS NP
eşitlikleri yazılabilir. Çıkış voltajı VS’nin giriş voltajı
VP’den büyük olduğu transformatörlere yükseltici
transformatör, VS’nin VP’den küçük olacak şekilde elde
edildiği transformatörlere ise düşürücü transformatörler
denilmektedir.

VI IP = VS IS olduğundan VP / VS = IS / IP olacaktır. Bu durumda 4 = IS / IP olarak bulunur.