ALTERNATİF AKIM

11. Sınıflar ve lys fizik konusu. Alternatif akımın tanımı ve oluşturulması. Alternatif akımın maksimum ve herhangi bir andaki değeri. Konu anlatımı ve çözümlü örnekler.

Tanım:

Zamanla büyüklüğü ve yönü değişen akıma alternatif akım denir.

Alternatif Akımın Üretilmesi

Düzgün bir manyetik alanda bir telin veya tel sargının hareket ettirilmesiyle manyetik akı değişimi meydana gelir. Bu manyetik akı değişimi tel üzerinde bir gerilim indükler. Bu gerilime indüksiyon elektromotor kuvveti adı verilir. Bu gerilim aynı zamanda tel üzerinde bir akım oluşturur, bu akıma indüksiyon akımı denir. Eğer telin hareketi engellenmeden iletken telin veya tel sargının uçları bir iletkenle ampermetreye bağlanırsa ampermetre belli bir değeri gösterir. İletken uçları bir alıcıya bağlanırsa bu akım, gücü ölçüsünde alıcıyı çalıştırır. İşte manyetik akı değişiminden yararlanılarak üretilen gerilime alternatif gerilim (AC gerilim), akıma ise alternatif akım(AC akım) adı verilir.

Manyetik alan oluşturmak için mıknatıs ve mıknatıslar kullanabiliriz, bu mıknatısları düzgün bir biçimde sabitleyerek arasından bir tel geçirebiliriz. Daha fazla akım elde edebilmek için tel yerine tel sargı kullanırız, bu sargıyı bir makara üzerine sarar ve makarayı mıknatıslar arasına düzgün biçimde yerleştiririz. Şimdi bu makaranın serbest biçimde dönebilmesi gerekir. Bunun için makara uçlarına rahatça dönebileceği mil yatakları yaparsak ve tel sargının uçlarını bir kollektöre (yüzük) bağlarsak bu tel sargı dönmeye ve gerilim üretmeye hazır hale gelmiş olur. Şimdi kollektörlerden gerilimi alacak birer iletken fırça düzeneği yapar ve oluşturduğumuz sistemi koruyucu bir gövde içine yerleştirirsek bir alternatif akım jeneratörü elde etmiş oluruz. Bu jeneratörde tel sargının sarılı bulunduğu makaranın bağlı olduğu mili döndürürsek fırça uçlarından alternatif akım elde ederiz.

Bir alternatif akım üreteci ve bu üretecin uçlarından alınan gerilimin zamana bağlı grafiği yukarıdaki şekillerde çizilmiştir. 

0 – t₁ aralığında akım A kutbundan çıkmaktadır, dolayısıyla B kutbu (-) negatif kutup olmaktadır. Akım A kutbundan çıkıp direnç üzerinden geçerek B kutbuna gelmektedir.

t₁ – t₂ aralığında akım bu kez B kutbundan çıkmaktadır. Dolayısıyla B kutbu pozitif (+) kutup, A kutbu negatif (- ) kutup olmaktadır. Akım B kutbundan çıkar ve bu kez dirence ters taraftan girerek A kutbundan üretece gelir. t₂ – t₃ aralığında, 0 – t₁ aralığındaki durumun aynısı yaşanır. Bu olay periyodik olarak devam eder. 0 – t₂ aralığına bir periyot adı verilir. Akım bu aralıkta bir kez A kutbundan, bir kez de B kutbundan çıkmıştır.

DC akım devrelerinde akım üreteçten iki yönlü çıkmaz, tek bir yönlü çıkar. Grafiği düz bir çizgi şeklindedir, dalgalanma yoktur.

Piller, aküler, güneş pilleri doğru akım kaynaklarına örnektir. Alternatif akım da doğru akıma çevrilebilir. Alternatif akımı doğru akıma çevirmek için doğrultucu devreler kullanılır.

Periyot ve Açısal Frekans

Yukarıdaki şekli tel sargının sarılı olduğu makara veya makaraya bağlı mil gibi düşünebiliriz.

Tel sargının bağlı olduğu mil t sürede ϑ kadarlık bir dönüş yaparsa açısal hızı;

Ok işaretli çubuğun 0 noktasından harekete başlayıp, tekrar 0 noktasına gelmesi için geçen süreye 1 periyot denir. Tel sargının birim zamandaki devir sayısına frekans denir. Frekans periyodun tersidir. 

SI birim sisteminde periyodun birimi saniye (s), frekansın birimi ise 1/saniye (s^-1 = Hertz) dir. 

Makara sistemi bir tam devir yaptığında 2.π açısı kadar dönmüş olur.

ω = 2.π.f olur.

Φ = B.A.cosϑ idi. 

t sürede çerçeve ω.t kadar döner, bu dönüş ω.t kadarlık bir açıya karşılık gelir. ϑ = ω.t olur.

Φ = B.A.cos ω.t

Bu formülleri indüksiyon EMK denklemlerinde yerine yazarsak,

ifadesi elde edilir. Bu ifade aşağıdaki ifade ile eşdeğerdir.

ɛ = B.A. ω.sinω.t

Halka N sarımdan meydana geliyorsa EMK ifadesi;

ɛ =N. B.A. ω.sinωt şeklinde olur.

Alternatif Gerilimin Maksimum ve Anlık Değeri

ɛ = B.A. ω.sinω.t ifadesinde ω.t değeri 270° olduğunda sinω.t =-1, 90° olduğunda ise sinω.t= 1 olur. Bu anlarda EMK denklemi aşağıdaki gibi olur.

ɛ_max = N.B.A. ω 

Makara sistemi bir tam tur atarken bir kez 90° yi bir kez de 270° yi görür. Bu anlarda sinosidal dalganın tepe noktalarını verir. Bu anlarda indüksiyon EMK sı maksimum olur.

ɛ_max  = N.B.A. ω ifadesinden yararlanarak herhangi bir t anında EMK değerini daha kolay bir biçimde yazabiliriz.

ɛ = ɛ_max. sinωt ifadesi herhangi bir t anındaki EMK değerini verir.

ωt değerinin 180° ve 0° olduğu durumlarda sinωt = 0 olur dolayısıyla;

ɛ = 0 olur. Bu anlar sinüsoidal noktanın x eksenini kestiği noktalardır.

Alternatif Akımın Maksimum ve Anlık Değeri

Herhangi bir andaki akım değeri ise aşağıdaki formülle bulunabilir.

I = I_max . sinωt

Örnek:

ɛ_max  değeri 240 V olan ve 50 hz de çalışan bir alternatif gerilim kaynağının t = 0 anından 2 ms sonraki gerilimi kaç V’tur? (sin36° = 0,6 alınız)

Çözüm:

ɛ = ɛ_max. Sinωt

ɛ = 240.sin(2.π.f.t)

ɛ = 240.sin(2.π.50. 2/1000)

ɛ = 240.sin(π.100. 2/1000)

ɛ = 240.sin(π/5)

π/5 = 36° dir. Dolayısıyla sin(π/5) = sin36° olur. sin36° = 0,587 dir. Bunu bu örnekte hesaplama kolaylığı açısından 0,6 alacağız. Bu durumda;

ɛ = 240.sin36° = 240.0,6

ɛ = 144 V bulunur.

Örnek:

Bir alternatif gerilim kaynağı 0,8 T manyetik alan içerisinde herbiri 0,1 m² alana sahip 500 sarımdan meydana gelmektedir. Bu sarımların bağlı olduğu mil saniyede 50 kez dönmektedir. Bu gerilim kaynağının maksimum EMK değeri kaç V’tur?

ɛ_max = N.B.A. ω formülü ile veriliyordu. Mil saniyede 50 devir yaparsa, mile bağlı sarımlar da 50 devir yapar. Bu durumda sistemin frekansı 50 hz (s^-1) olur. Değerleri yerine koyarsak;

ɛ_max = 500.0,8.0,1.(2.π.50)

ɛ_max = 40.100.3,14

ɛ_max = 12560 V

İndüksiyon Akımının Oluşması

Alternatif Akım Çözümlü Sorular

SANATSAL BİLGİ

17/03/2017