Endüktans

İndüktörler - tipik olarak bobinler şeklinde - birçok devre uygulamasında yaygın olarak kullanılır. Amaçları, sabit bir durum akımı aktığında manyetik enerjiyi depolamaktır.

Kapalı bir devre oluşturan bir döngüde, değişen manyetik alan, akımı çalıştıran bir elektromotor kuvveti indükler. Bu fenomene elektromanyetik indüksiyon denir. Bir indüktör basitçe bir tel bobinidir ve terminallerindeki voltajı kendi manyetik alanındaki değişiklikle ilişkilendiren kendi kendine endüktans özelliğine sahiptir.

Bu video, endüktansın arkasındaki kavramları gösterecek ve ardından bir çubuk mıknatıs ve bir bobin kullanarak bir indüksiyon deneyi gösterecektir. Son olarak, indüktörler için mevcut uygulamalardan bazılarını gözden geçireceğiz.

Manyetik akı, bir alandan geçen manyetik alan miktarı olarak düşünülebilir. Bir A alanına dik düzgün bir manyetik alan B için, manyetik akı phi basitçe ikisinin çarpımıdır. Faraday'ın indüksiyon yasasına göre, bir tel döngüsündeki değişen bir manyetik akı, döngü boyunca bir elektromotor kuvveti veya EMF üretir. Bu EMF, manyetik akının zaman içindeki değişim oranının negatifine eşittir.

Manyetik akının değişim hızı, indüklenen elektromotor kuvvetin polaritesini belirler. Faraday yasası ifadesindeki negatif işaret, manyetik alan zamanla azalırsa, EMF'nin pozitif olduğu anlamına gelir. Zamanla artarsa, EMF negatiftir. Döngü kapalı bir devre olduğunda, indüklenen EMF, sırayla kendi manyetik alanını oluşturan akımı çalıştırır. Bu manyetik alanın Sağ El Kuralı tarafından verilen bir yönü vardır. Sağ elin parmakları döngüdeki akımın yönü etrafında kıvrılırsa, sağ elin başparmağı üretilen manyetik alanın yönünü gösterir. İndüklenen akım, dış manyetik alanın değişim hızına karşı bir manyetik alan oluşturan yönde akmalıdır.

Örneğin, bu mıknatıstan gelen manyetik alan, tek bir tel halkası boyunca yukarı doğru işaret eder. Mıknatısı döngüden uzaklaştırmak, döngü boyunca manyetik alan kuvvetini azaltır. Aşağı doğru işaret eden bir vektörle temsil edilen manyetik akıdaki değişiklik, akımı gösterildiği gibi saat yönünün tersine süren pozitif bir EMF'yi indükler. Sağ El Kuralına göre, akım, azalan manyetik alana veya akıya karşı koymak için döngü içinde yukarıyı gösteren bir manyetik alan oluşturur. Buna karşılık, mıknatısı döngüye doğru hareket ettirmek oradaki manyetik alanı arttırır. Manyetik akıdaki değişim, yukarıyı gösteren bir vektör ile temsil edilir. Bu durumda, akımı saat yönünde süren negatif bir EMF'yi indükler. Sağ El Kuralına göre, bu yöndeki akım, artan manyetik alana veya akıya karşı koymak için döngü içinde aşağıyı gösteren bir manyetik alan oluşturur.

Şimdi bir döngüden, bir hava veya manyetik malzeme çekirdeğinin etrafına sarılmış çok sayıda tel halkası olan bir solenoide geçelim. Elektrik devrelerinde yaygın olarak kullanılan bir indüktördür. Akım bir solenoidden geçerse, indüktör içinde bir manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alanın yönü sağ el kuralı ile verilir. Bu alan da alanla aynı yönde bir manyetik akı üretir ve bu akının miktarı akımla orantılıdır. Bu nedenle, akım zamanla değişirse, manyetik akı da değişir. Faraday yasasını takiben, değişen akı, akımı bobinden geçiren bir voltajı indükler, böylece indüklenen akımın manyetik alanı orijinal akıdaki değişikliğe karşı koyar. Değişen akıma yanıt olarak kendi terminalleri boyunca bu voltaj indüksiyonu olgusuna kendi kendine indüksiyon denir ve solenoid boyunca indüklenen toplam voltaj, tek bir döngünün EMF'si ile çarpılan N dönüşlerinin sayısıdır.

Artık temel bilgileri açıkladığımıza göre, bir fizik laboratuvarında elektromanyetik indüksiyonun nasıl çalışılacağını görelim.

Aşağıdaki deneylerin tümü, akım akış yönüne bağlı olarak sıfır noktasının sağına veya soluna sapan bir iğneye sahip bir analog bipolar ampermetre kullanır.

İlk olarak, içi boş çekirdekli bir solenoid, açıkça etiketlenmiş kuzey ve güney kutuplarına sahip bir çubuk mıknatıs ve analog bipolar ampermetre elde edin. Ardından solenoidi ampermetreye bağlayın. İlk deneme için, mıknatısın kuzey kutbunu, ampermetrenin negatif terminaline bağlı solenoidin ucuna yerleştirin. Ampermetreyi gözlemleyin ve iğnenin sapmasının polaritesini ve yaklaşık büyüklüğünü kaydedin. Mıknatısı solenoidden dışarı çekin ve ampermetre iğnesinin sapmasının polaritesini ve yaklaşık büyüklüğünü kaydedin.

Şimdi mıknatısı ters çevirin ve ampermetrenin negatif terminaline bağlı solenoidin ucundan güney kutbunu takın ve çıkarın. Mıknatısın güney kutbunu bobine sokarak ve ardından önce ilk denemeden daha yavaş ve sonra daha hızlı bir şekilde çıkararak bu deneyi tekrarlayın. Kuzey kutbu yaklaştığında ve solenoide girdiğinde, ampermetrenin anlık bir pozitif sapmasına neden olan akımı indükler. Kuzey kutbu solenoidden çıkarıldığında, sapma negatiftir. Mıknatısın yönünü tersine çevirmek, ampermetre tepkisini de tersine çevirir.

Son olarak, hareket hızı, indüklenen voltaj ve akımı belirleyen manyetik alanın zamanla değişimini etkiler. Daha yavaş hareket, daha az akım ve daha küçük bir okumaya neden olur ve daha hızlı hareket, daha fazla akım ve daha büyük bir okumaya neden olur.

Öz endüktans deneyi için, bir ampul, indüktör bobini, pozitif bir volta ayarlanmış voltaj kaynağı, anahtar ve analog ampermetreyi gösterildiği gibi bağlayın. Akım akmaması için devreyi anahtar açıkken monte edin.

Voltaj kaynağını hem ampule hem de indüktör bobinine bağlamak için anahtarı kapatın. Loş yanmış gibi görünen ampulü gözlemleyin. Voltaj beslemesini devreden ayırmak için anahtarı açın. Anahtarın açıldığı anda ampulü ve ampermetreyi gözlemleyin, ardından sonucu kaydedin. Ampul kısa bir süre yanar ve ampermetre aynı anda pozitif bir okuma gösterir. Bu, kendi kendine tümevarım nedeniyle olur ve bu kısa süre içinde birkaç olay gerçekleşir.

Başlangıçta, anahtar kapatıldığında, akım hem bobinden hem de ampulden geçer, ancak bobin ampule kıyasla daha düşük dirence sahip olduğundan, bobinden ampule kıyasla çok daha fazla akım akar. Anahtarın açılması voltaj kaynağının bağlantısını keser. Bu, indüktörden geçen akımın azalmasına neden olur.

İndüktörden geçen bu değişen akım, manyetik akısında bir değişikliğe neden olur ve bu da orijinal akımla aynı yönde akarak azalmaya karşı çıkan geçici bir akımı indükler. İkisinin kombinasyonu - orijinal ve geçici akım - şimdi ampulden akan ve onu kısaca yakan toplam indüktör akımını verir ve aynı zamanda pozitif bir akımı belirtmek için ampermetrede bir sapmaya neden olur.

Elektromanyetik indüksiyon, modern cihazlarda birçok uygulamaya sahiptir ve fiziksel temas olmadan enerji ve bilgi aktarmanın temel bir yöntemidir.

İndüksiyon, transformatör adı verilen cihazların işleyişinin arkasındaki temel ilkedir. Bir transformatör, bir birincil sargıya veya bobine bağlı bir çift giriş terminaline ve bir ikincil sargıya bağlı bir çift çıkış terminaline sahiptir. Çelik, ferrit ve hatta basitçe havadan oluşan bir çekirdek, iki sargıyı manyetik olarak birleştirir. Bir sargıdaki bir voltaj, akımın içinden akmasına ve bir manyetik alan oluşturmasına neden olur. Manyetik akı veya manyetik alanın yoğunluğu daha sonra çekirdekten geçen ikincil sargıya bağlanır ve burada bir voltaj indükler. Bu ilkeye karşılıklı tümevarım denir.

İndüktörlerin bir başka uygulaması, basitlikleri, sağlamlıkları ve güvenilirlikleri nedeniyle modern endüstrinin beygir gücü olan AC endüksiyon motorlarıdır. Bir endüksiyon motorunun sadece iki ana parçası vardır. Birincisi, bir boşluk etrafındaki sabit bobinlerden oluşan stator adı verilen sabit kısımdır. Boşlukta asılı, silindirik bir çubuk düzenini kaplayan bir çift uç halka olan rotordur. Üç fazlı bir AC endüksiyon motoru, her faz kendi ayrı stator bobini setine bağlı olarak üç fazlı güç kullanır. Bobinler, sağlanan gücün her fazı için bir manyetik alan oluşturan bir düzende düzenlenmiştir. Ortaya çıkan ve "stator manyetik alanı" olarak adlandırılan net manyetik alan, sabit hızla döner.

Dönen manyetik akı, bir transformatörün gücü birincil bobinden ikincil bobine aktarma şekline benzer şekilde rotorda akımı indükler. Rotorun çubuklarından geçen akım, "indüklenmiş rotor manyetik alanı" adı verilen kendi manyetik alanını oluşturur. Bu iki alan arasındaki etkileşim, rotor üzerinde bir kuvvet oluşturur ve bu da rotorun, etrafındaki mıknatısları takip eden bir demir çubuk gibi stator manyetik alanını takip etmesine neden olur.

JoVE'nin elektromanyetik endüktansa girişini az önce izlediniz. Artık zamanla değişen bir manyetik alanın bir iletkende nasıl bir elektromotor kuvveti indüklediğini ve ortaya çıkan akımın kendi manyetik alanını nasıl ürettiğini anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler!