Manyetik alan nasıl üretilir?
Elektrik makineleri, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine ve elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren ekipmanlardır. Günlük hayatımızda kullandığımız pek çok cihaz, mekanik enerjisini elektrik motoru ile sağlar. Elektrikli cihazlarımızın kullandığı elektrik ise güç santrallerinde elektrik generatörleri sayesinde elde edilir. Tüm elektrik makineleri manyetik alanın hareketine bağlı olarak enerji dönüşümü yapar. Manyetik alanların elektrik makinelerinde nasıl kullanıldığını açıklayan dört temel ilke vardır:
- Akım taşıyan bir iletken etrafında bir manyetik alan oluşur.
- Zamanla değişen bir manyetik alan etkisinde kalan bobinde gerilim endüklenir. (Transformatör ilkesi)
- Manyetik alan içerisinde bulunan ve içinden akım geçen bir iletkende kuvvet endüklenir. (Motor ilkesi)
- Manyetik alanda hareket eden bir sargıda gerilim endüklenir. (Generatör ilkesi)
Bu yazıda kısaca manyetik alan üretimine değineceğiz. Konunun kolay anlaşılması için alanların ve uzunlukların belirli olduğu kabul edilecek ve integrasyon içeren formüller kullanılmayacaktır.
Manyetik akı yoğunluğu
Yandaki şekilde olduğu gibi, bir mıknatısın etrafındaki demir tozlarının düzgün eğriler oluşturma eğilimi, manyetik alanın varlığının en önemli göstergesidir. Deneyler, alanın en güçlü olduğu yerlerde çizgilerin birbirine yakın olduğunu ve daha zayıf olan bölgelerde çizgilerin birbirinden uzaklaştığını gösterir. Bu sonuçlara göre belirli bir alan için manyetik akı yoğunluğu kavramı ortaya çıkar.
SI birim sistemine göre manyetik akı birimi Weber (Wb)’dir. Φ ile gösterilir. Eğer 1 m2’lik alandan 1 Weber’lik akı geçerse akı yoğunluğu metrekare başına 1 Weber, yani 1 Wb/m2 veya 1 Tesla’dır. Manyetik akı yoğunluğu aşağıdaki bağıntı ile verilir:
Amper kanunu
Amper kanunu, akım taşıyan bir iletkende manyetik alan üretileceğini ifade eder.
Burada B, iletkenden geçen Inet akımı tarafından oluşturulan manyetik alan yoğunluğudur.
Bu denklemin uygulamasını daha iyi anlamak için aşağıdaki devreyi incelemek gerekir:
Şekildeki A kesit alanlı, ortalama akı yolu uzunluğu l olan dikdörtgen bir demir çekirdeğin bir bacağına sarılmış N sarımlı bir sargı gösterilmektedir. İletkenden geçen akım, N sarımlı olduğu için N x i olur. Bu durumda Amper kanunu:
halini alır.
Çekirdekte üretilen manyetik alan akısının yoğunluğu, çekirdeğin malzemesine de bağlıdır. Bir malzemedeki manyetik akı yoğunluğu B ve manyetik alan şiddeti H arasındaki bağıntı:
ile ifade edilir. Burada:
H: manyetik alan şiddeti [amper-sarım/metre, A-sarım/m]
μ: Malzemenin manyetik alan geçirgenliği [Henry/metre, H/m]
B: Manyetik akı yoğunluğu [Weber/metre2, Tesla]
Herhangi bir malzemenin manyetik geçirgenliğinin boşluk (veya hava) ile karşılaştırılması, o malzemenin göreceli manyetik geçirgenliğini verir. Boşluğun manyetik geçirgenliği:
Bu durumda bir malzemenin boşluğa göre göreceli geçirgenliği:
Modern elektrik makinelerinde kullanılan çeliklerin göreceli manyetik geçirgenliği 2000-6000 arasında hatta daha yüksek değerlere ulaşır. Bunun anlamı, bu çeliğin manyetik geçirgenliğinin havadan (veya boşluktan) 2000-6000 kat daha yüksek olması demektir. Bir elektrik makinesinin çekirdeğinde kullanılan metaller, makinedeki manyetik akı dağılımında ve artışında son derece önemli ol oynarlar.
