Değişen bir manyetik alan elektromanyetik indüksiyonun Faraday yasasına göre elektriksel potansiyel farka karşılık gelen bir elektrik akımı indükleyecektir.
Elektriksel ve manyetik olaylar yakından bağlıdır ve birbirinden ayrılamazlar. Ancak fizikçiler bu bağlantıyı 19. yüzyıla dek tam olarak anlamamışlardı. 19. yüzyılının ilk dönemlerinde fizikçiler elektriğin ve manyetizmanın birbiriyle bağlantılı olduğundan şüpheleniyorlardı ama henüz bir bağlantı bulamamışlardı. 1820 yılında Hans Christian Oersted elektrik akımının manyetik alanları indüklediğini bulduğunda, bu bağlantının bir kısmı keşfedilmiş oldu.
Michael Faraday ve Joseph Henry 1830 yılında bu bağlantının tam tersini birbirlerinden bağımsız olarak keşfettiler. Değişen bir manyetik akının bir elektrik potansiyel farkını indüklediğini ve bunun da bir elektrik akımına neden olabildiğini buldular.
İndüksiyon Deneyleri
Bir galvanometre veya bir ampermetre küçük elektrik akımlarını tespit edebilir. Bir çubuk mıknatıs etrafında birkaç bobin saralım, hatta daha fazla bobini sararsak bu etki de artar. Ölçerin bağlantı uçlarını telin sonlarına bağladıktan sonra herhangi bir akımın geçmediğini ölçer tespit edecektir. Ancak mıknatısı veya bobini kaydırdığımızda akımın oluştuğunu göreceksiniz. Bir manyetik alanda tel bobinleri döndürmek de bir akım üretir.
Eğer bobin tel tarafından çevrelenen alan boyunca geçen toplam manyetik alan miktarı değişirse manyetik alan sadece bir akım indükler, ya da mıknatısın hareketiyle veya bobinin dönmesiyle…
Manyetik Akı
Faraday’ın yasasının anlaşılması için manyetik akı kavramının anlaşılması gerekir. Manyetik akı bir yüzey veya yüzey alanı üzerindeki toplam manyetik alan miktarının ölçülmesinin bir yoludur. Tel bobin ile yapılan deneylerdeki alan bir örnek olabilir bu yüzey alanı meselesine.
Eğer manyetik alan yönü yüzeye dik ise, sonra manyetik akı yüzey alanı ile manyetik alanın çarpımına eşit olur. Eğer manyetik alan yüzeye dik değilse, bu çarpım manyetik alan yönü ile yüzeye dik dışa doğru bakan çizginin arasındaki açının kosinüsü ile çarpılmalıdır. Bu yüzeye dik olan çizgi “normal” olarak adlandırılır.
Manyetik akı matematiksel olarak şu denklemle ifade edilir,
ΦB manyetik akıdır. B genellikle manyetik alan olarak adlandırılır ama daha özel bir adı manyetik indüksiyondur. S toplam alandır ve θ manyetik alanın yönü ve yüzeyin normali arasındaki açıdır.
Faraday’ın İndüksiyon Yasası
Faraday tel bobinle ilgili benzer nicel deneyler yaparak gerilimin yani elektromotor kuvvetin (ε) indüklendiğini buldu ve bu yasa tek bir tel bobindeki elektromotor kuvvetin manyetik akıdaki değişimin zamanla değişiminin negatifine eşit olduğunu söyler. Eğer telin birden fazla döngüsü varsa (birden fazla bobin sarımı), bu ifade bobindeki tel döngülerinin yani sarımlarının sayısı ile çarpılır.
Faraday yasasının denklem şeklindeki ifadesi şöyledir:
ε, indüklenen gerilimi veya elektromotor kuvveti temsil eder ve N ise telin sarımlarının sayısıdır. dΦB manyetik akıdaki değişimi ve dt ise zamandaki değişimi temsil eder. dΦB /dt zamana göre akımın türevidir.
Negatif işaret indüklenen gerilimin yönünü verir. Lenz yasasına göre indüklenen akım veya gerilim kendisini oluşturan indüklenmedeki değişime zıt bir yönde olmalıdır.
Faraday Yasasının Uygulamaları
Faraday yasası elektromanyetizmanın en temel ve önemli yasalarından biridir. Bu yasa elektriksel makinelerin ve medikal alanın çoğunda uygulamaya sahiptir.
- Elektrik Trafoları: Akımı veya gerilimi adım adım düşürmede veya artırmada kullanılan statik bir AC aygıtıdır. Bu aygıt enerji üreten istasyon, aktarım ve dağıtım sistemlerinde kullanılır. Trafoların çalışma prensibi Faraday yasası üzerine kuruludur.
- Elektrik Jeneratörleri: Elektrik jeneratörlerinin temel çalışma ilkesi Faraday yasasının karşılıklı indüksiyon yasasıdır. Elektrik jeneratörü mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmede kullanılır.
- İndüksiyon Ocaklar: Bir indüksiyon ocak pişirmenin en hızlı yoludur. Bu aygıt da karşılıklı indüksiyon ilkesine göre çalışır. Pişirme kabı altındaki bakır tel bobin boyunca akım geçtiğinde, değişen bir manyetik alan üretir bu akım. Bu da alternatif veya değişen manyetik alan bir elektromotor kuvveti indükler ve bu nedenle iletken kapta akım oluşur ve bu akım her zaman ısı üretir.
- Elektromanyetik Akış Ölçer: Bu kanın ve belirli sıvıların hızının ölçülmesinde kullanılır. Bir manyetik alan içinden akışkanın geçtiği elektriksel olarak yalıtkan olan boruya uygulandığında Faraday yasasına göre bir elektromotor kuvvet indüklenir. Bu indüklenen elektromotor kuvveti akan akışkanın hızı ile orantılıdır. Tabi bu sıvı iletken olmalıdır.
- Müzik Aletleri: Elektrogitar, elektro keman gibi müzik aletlerinde de Faraday yasası uygulanır.
Gelecek yazımızda da Maxwell’in o ünlü harika denklemlerini ele alacağız.
Kaynak:
- Paul A. Heckert, Understanding of Faraday’s Law, Suite101
- http://www.electrical4u.com/faraday-law-of-electromagnetic-induction/
Elektrik ve Manyetizma yazı dizimizde,
Önceki Yazımız: Manyetizma İçin Gauss Yasası
Sonraki Yazımız: Maxwell Denklemleri