Alan değil,
alanın değişimi
akım üretir
Duran bir mıknatısın yanındaki halkada akım yoktur. Aynı mıknatısı yaklaştırdığın anda akım doğar, durdurduğunda kaybolur. Bütün ünitenin özeti bu: akım oluşturan şey akının kendisi değil, akının değişimidir. Değişim ne kadar hızlıysa akım o kadar büyüktür.
Manyetik alana dik bir yüzeyden geçen manyetik akı, o yüzeyden geçen manyetik alan çizgilerinin sayısına bağlı bir göstergedir. Akı bir vektör değildir; yüzeyin alanı ile alanın o yüzeyi ne kadar "dik" kestiğine bağlı tek bir sayıdır.
α, manyetik alan doğrultusu ile yüzeyin normali arasındaki açıdır. Yüzeyin normali, yüzeye dik çizilen doğrultudur — yüzeyin kendisi değil. Bu, en çok karıştırılan noktadır.
α = 0° ise cos 0° = 1 olduğundan manyetik akı maksimum; α = 90° ise cos 90° = 0 olduğundan manyetik akı minimum değerini alır. α = 90° de yüzey alan çizgilerine paraleldir; hiçbir çizgi yüzeyi kesmez.
Bir yüzeydeki manyetik akıyı değiştirebilmek için φ = B · A · cosα bağıntısındaki B, A, α değerlerinden en az birini değiştirmek gerekir. Bu üç yol, ilerideki bütün indüksiyon örneklerinin kaynağıdır.
Basit bir elektrik devresinde elektrik akımının oluşabilmesi için iletkenin uçları arasında potansiyel farkın olması gerekir. İki nokta arasında elektriksel potansiyel farkı oluştuğunda elektromotor kuvvet kaynağı, elektronları düşük potansiyelden yüksek potansiyele doğru hareket ettirmeye zorlar. Birim yükün devreyi bir defa dolanması için gerekli enerjiye elektromotor kuvveti denir.
Mıknatıs halkaya yaklaştırılıp uzaklaştırıldığında halka içindeki manyetik alan çizgi sayısı ve buna bağlı olarak manyetik akı değişir. Bu değişim Δφ = φ(son) − φ(ilk) bağıntısı ile hesaplanır. Halka içerisindeki manyetik akı değişimi halka üzerinde elektrik akımı oluşmasını sağlar.
İletkenin kesitindeki manyetik akı değişimi iletken üzerinde bir indüksiyon elektromotor kuvveti ve dolayısıyla indüksiyon akımı oluşturur (Faraday Kanunu). Oluşan bu elektromotor kuvveti kendisini doğuran nedene karşı koyacak yöndedir. Buna da Lenz Kanunu denir.
ε = − Δφ / Δt · ε = − N · Δφ / Δt
İkincisi N sarımlı akım makarası içindir: çok sayıda halkadan oluşan akım makarasında da indüksiyon elektromotor kuvveti oluşabilir.
Manyetik akı değişimi ne kadar hızlı ise hem indüksiyon elektromotor kuvveti hem de indüksiyon akımı o kadar büyük olur. Aynı mıknatısı iki kat hızlı hareket ettirmek, iki kat büyük akım demektir.
Bağıntılarda yer alan (−) işareti oluşan indüksiyon elektromotor kuvvetinin kendisini oluşturan etkiye karşı koyacak yönde olduğunu gösterir. İndüksiyon elektromotor kuvvetinin büyüklüğü hesaplanırken (−) işaretinin kullanılmasına gerek yoktur. Yani işaret yönü söyler, sayıyı değil.
Bir bobinli devrede reosta sürgüsü çekilirken devre akımı zamanla artar; fakat bu artış bir gecikme süresi içinde olur. Akımın maksimum düzeye çıkmasındaki gecikmenin nedeni bobin yapısındaki sarımlar içinde oluşan manyetik akı değişimine karşı zıt yönlü bir emk ve bir tepki akımının ortaya çıkmasıdır.
Bu akımın yönü artan devre akımını azaltacak şekilde devre akımı ile zıt yöndedir. Lenz kanununa uygun olarak gerçekleşen bu emk'ya öz-indüksiyon emk'sı ve oluşan akıma da öz-indüksiyon akımı denir.
Akım-zaman grafiğindeki II. bölgede devre akımı maksimum değere ulaşmış olup akım sabitken devrede öz-indüksiyon akımı gözlenmez. Değişim yoksa tepki de yoktur — ünitenin ana fikri burada da geçerli.
Devredeki anahtar açıldığında ya da reosta sürgüsü ters yöne çekildiğinde devre akım şiddeti azalırken, oluşan öz-indüksiyon emk ve akımı bu kez devre akımını artıracak (azalmasını engelleyecek) yönde olup devre akımı ile aynı yönde gözlenir.
Öz-indüksiyon akımları bobinli devrelerde devre akımı artarken bu akıma ters yönde, devre akımı azalırken ise devre akımıyla aynı yönde gözlenir. Bobin ne akımın büyümesini ne de küçülmesini sever; her iki durumda da değişime karşı çalışır.
Manyetik alanda hareket ettirilen iletken teldeki serbest elektronların davranışı incelendiğinde elektronların iletken telde bir yönde hareket ettiği gözlemlenir. Böyle bir manyetik alanla iletken bir telin uygun şartlarda etkileşimi, iletken telde akım oluşturur. Oluşan bu akıma indüksiyon akımı denir.
İndüksiyon akımının yönü sağ el kuralı ile bulunur. Başparmak hız vektörünün yönünü, dört parmak manyetik alan vektörünün yönünü gösterecek şekilde tutulduğunda avuç içinin tersi (−) yüklerin toplandığı ucu gösterir. Yukarıdaki örnekte K ucunda (−) yükler toplandığından L ucu (+) yüklenmiş olur.
L uzunluğundaki tel, manyetik alana dik olarak yerleştirilip hız vektörü ile α açısı yapacak şekilde hareket ettirilirse telin uçları arasındaki elektromotor kuvveti:
ε = B · v · L · sinα
Birimler: ε volt, B tesla (ya da weber/m²), v m/s, L metre.
L uzunluğundaki O-K iletken teli düzgün manyetik alanda O noktası etrafında sabit süratle döndürülürse, O-K telinin her noktası farklı hızlara sahip olur. K uç noktasının hızı v alınırsa telin orta noktasının hızı v/2 olur. Telin O-K uçları arasında oluşan indüksiyon emk:
ε = B · L · v / 2
Üzeri eşit bölmelenmiş O-M iletken çubuğu manyetik alanda sabit
süratle O noktası çevresinde döndürülürken iletkenin O-M, O-L ve O-K uçları arasında oluşacak
indüksiyon emk değerleri sırasıyla ε, 4ε ve 9ε büyüklüğünde oluşur.
Oluşan emk değerleri noktaların O noktasına olan uzaklıklarının
karesi ile orantılıdır. 1 : 2 : 3 uzaklık, 1 : 4 : 9 emk demektir.
Kapalı bir devrede oluşacak indüksiyon emk'sı ve indüksiyon akımının temel nedeni bu devre yüzeyinde oluşan bir manyetik akı değişiminin gerçekleşmesidir. Aşağıdaki düzeneklerin hepsi farklı görünür ama hepsi φ = B · A · cosα içindeki bir büyüklüğü değiştirir.
İndüksiyon akımının yönü bu akımı meydana getiren nedene karşı koyacak yöndedir. Aşağıdaki örnekte, N-S kutuplu çubuk mıknatıs iletken P kapalı çember yüzeyine yaklaştırılınca çember yüzeyinde −x yönünde bir manyetik akı artışı gözlenir; Lenz Kanununa göre P çemberi üzerinde oluşacak indüksiyon akımı +x yönünde bir tepki manyetik alanı oluşturacak şekilde oluşur. Sağ el kuralına göre dört parmak çemberdeki i indüksiyon akımını gösterecek şekilde avuç içine alınırsa başparmak tepki manyetik alanının yönünü gösterir.
Bir halkanın içinden çok güçlü bir manyetik alan geçiyor olabilir ve halkada
hiç akım bulunmayabilir. Akım için gereken şey alanın büyüklüğü
değil, akının zamanla değişmesidir.
Aynı tuzağın ikinci hâli: mıknatıs uzaklaşırken de akım oluşur —
akı azalması da bir değişimdir. Tek fark, akımın yönünün terse dönmesidir.
Evindeki elektriğin tamamı, bir yerlerde dönen bir çerçevenin akı değişiminden geliyor.
Pedin bobininden geçen değişen akım, telefonun bobininde akı değişimi yaratır ve orada indüksiyon akımı doğar. Sabit akım verilseydi telefon hiç şarj olmazdı.
Tekerlek dinamonun mıknatısını döndürür, bobindeki akı sürekli değişir ve lamba yanar. Bisiklet durunca ışık da söner — çünkü değişim biter.
Kapıdaki bobinler değişen manyetik alan üretir; etiketin içindeki küçük halkada indüksiyon akımı doğar ve bu akım alarmı tetikler.
Ocağın camı soğuk kalır ama tencere ısınır: değişen alan tencerenin tabanında akım oluşturur, o akım tencereyi ısıtır. Cam iletken olmadığı için onda akım doğmaz.
Elektro gitarın telleri titreşirken altındaki bobinde akı değişir ve müzik sinyali doğar. Tel dururken hoparlörden ses çıkmamasının sebebi de budur.
Asfaltın altına gömülü halkanın üstüne araba gelince akı değişir ve ışık aracın geldiğini anlar. Bisikletlerin bazen algılanmamasının sebebi metal kütlesinin küçük olmasıdır.
Fren yaptığında motor tersine çalışıp üreteç olur; oluşan indüksiyon akımı Lenz kanunu gereği hareketi yavaşlatacak yönde etki eder ve pil bir miktar şarj olur.
Kartın içinde pil yoktur. Okuyucunun değişen alanı kartın antenindeki halkada indüksiyon akımı doğurur; kart o enerjiyle uyanır ve numarasını gönderir.
Baraj suyu ya da buhar, alanın içindeki dev çerçeveyi döndürür; α sürekli değiştiği için akı değişir. Prizdeki elektrik bu dönüşün sonucudur.
51 soruluk test · manyetik akı, Faraday ve Lenz kanunları, öz-indüksiyon ve hareketli telde emk
φ = B · A · cosα
Yüzeyden geçen manyetik alan çizgilerinin sayısına bağlı bir göstergedir. Birimi Tesla·metre² ya da Weber (Wb) dir.
α, manyetik alan doğrultusu ile yüzeyin normali arasındaki açıdır. α = 0° de akı maksimum, α = 90° de minimumdur.
B, A ve α değerlerinden en az birini değiştirmek gerekir. Bütün indüksiyon düzenekleri bu üç yoldan birini kullanır.
Δφ = φ(son) − φ(ilk)
Halka içerisindeki manyetik akı değişimi halka üzerinde elektrik akımı oluşmasını sağlar.
İletkenin kesitindeki manyetik akı değişimi iletken üzerinde bir indüksiyon elektromotor kuvveti ve dolayısıyla indüksiyon akımı oluşturur.
Oluşan elektromotor kuvveti kendisini doğuran nedene karşı koyacak yöndedir. Bağıntıdaki (−) işareti bunu gösterir; büyüklük hesaplanırken kullanılmasına gerek yoktur.
ε = − Δφ / Δt · ε = − N · Δφ / Δt
İkincisi N sarımlı akım makarası içindir.
Manyetik akı değişimi ne kadar hızlı ise hem indüksiyon elektromotor kuvveti hem de indüksiyon akımı o kadar büyük olur.
Bobinde oluşan tepki akımı devre akımı ile zıt yöndedir; bu yüzden akım maksimuma bir gecikme süresi içinde ulaşır.
Akım sabitken öz-indüksiyon akımı gözlenmez. Akım azalırken öz-indüksiyon akımı devre akımıyla aynı yönde olup azalmayı engellemeye çalışır.
ε = B · v · L · sinα
ε volt, B tesla (weber/m²), v m/s, L metredir. Akımın yönü sağ el kuralıyla bulunur; avuç içinin tersi (−) yüklerin toplandığı ucu gösterir.
ε = B · L · v / 2
K ucunun hızı v ise orta noktanın hızı v/2 dir. Bölmeli çubukta emk değerleri ε, 4ε, 9ε olur: uzaklıkların karesiyle orantılıdır.
Kapalı bir devrede oluşacak indüksiyon emk'sı ve akımının temel nedeni devre yüzeyinde bir manyetik akı değişiminin gerçekleşmesidir.
Alanın büyük olması akım oluşturmaz; akının değişmesi oluşturur. Mıknatıs durursa akım biter, uzaklaşırken yeniden doğar ama ters yönde akar.