Mıknatıs Jeneratör Yapımında Kullanılır Mı

Bilmekte Fayda Var!

Elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren makineler ilke olarak bunun tersini de yapabilir. Yani bir elektrik motoru hem motor olarak hem de dinamo veya alternatör olarak çalışabilir. Piyasada çok çeşitli türde motorlar bulunuyor. Bunlar arasında doğru akım motoru (DC motor) ve adım motoru (step motor) önemli bir yere sahip. Bu motorlar yardımıyla kolayca elektrik üretmek mümkün. Elektrik-elektronikle yakından ilgilenenlerin bildiği bu yöntem, motor milinin tersten çevrilerek enerji üretilmesi fikrine dayanıyor. Bu yazıda, piyasadan kolayca temin edilebilen malzemelerle düşük güçlü bir jeneratörün nasıl yapılabileceği anlatılıyor. Birkaç watt gücündeki bu sistem ile çok çeşitli uygulamalar yapılabilir. Örneğin LED’li veya akkor lamba çalıştırılabilir, birkaç adet kalem pil şarj edilebilir ya da motor miline bağlanan bir pervane ile rüzgâr jeneratörü yapılabilir.

Elektromanyetik İndüksiyon 

Bütün elektrik motorları elektromanyetizma yasalarına göre çalışır. Bir elektrik motoru yardımıyla nasıl elektrik üretilebileceği Faraday yasası ile açıklanır. İletken bir tel, Şekil 1’deki gibi, sabit manyetik alan içerisinde v hızıyla hareket ettirilirse iletken uçlarında bir gerilim indüklenir. Bir başka deyişle iletkenin yatay eksendeki hareketi esnasında manyetik kuvvetten kaynaklanan bir elektromotor kuvvet (emk) oluşur. Bu emk, Lorentz kuvveti olarak bilinen kuvvetin etkisiyle iletkendeki elektronların harekete zorlanması sonucunda meydana gelir.

Şekil 1: Gerilim indükleme

İndüklenen gerilimin değeri aşağıdaki formülde görüldüğü gibi manyetik alanın büyüklüğüne, iletkenin uzunluğuna ve hareket hızına bağlı olarak değişir.

Şekil 2’de görüldüğü gibi iletken bir çerçeve, mıknatısın N-S kutupları arasında w açısal hızıyla döndürülecek olursa, çerçevede alternatif bir gerilim indüklenir. İletkenin iki ucu fırça-bilezik sistemi yardımıyla bir lambaya bağlanırsa, oluşan kapalı devreden bir akım geçer ve lamba ışık yayar. Böylece, mili tersten çevrilen bir motorun jeneratör olarak çalışabileceği görülmüş olur.

Şekil 2: Alternatif gerilim üretme

DC gerilim üretme mantığı Şekil 2’deki sisteme çok benzer. AC jeneratörde bilezik, halka şeklinde tek bir parçadan oluştuğu halde, DC jeneratörde kolektör olarak adlandırılan iki veya daha fazla dilimden oluşur. Böylece, iletken çerçeve Şekil 3’teki gibi mıknatısın kutupları arasında döndürüldüğünde fırça-kolektör sistemi sayesinde lambadan hep doğru akım geçer.  

Şekil 3: Doğru gerilim üretme

İletken çerçeve yerine, sarım sayısı fazla olan bir bobin kullanılırsa bobinde indüklenen gerilimin genliği büyük değerlere erişebilir. Mıknatıs, bobin ve fırça-kolektörden oluşan bir jeneratörü elle yapmak hayli uğraştırıcı olduğundan hazır bir motor kullanmak daha uygun olur. Jeneratörde doğru akım motoru kullanılırsa çıkış gerilimi DC; adım motoru kullanılırsa AC olur. Aşağıda bu iki motor türü ile nasıl enerji üretilebileceği anlatılıyor. İlk etkinlik için gerekli malzemeler şunlar:

• 1 adet mini DC motor
• 1 adet çevirme kollu dişli çark sistemi ( devir/dakika dönüş sayısı sağlayabilen)
• 1 adet mandren (mil bağlantı aparatı)
• 1 adet çevirme kolu (ahşap veya plastik)
• 1 adet kırmızı LED (5 mm veya 3 mm)

DC Motor

Bir doğru akım motoru, stator ve rotor olmak üzere iki kısımdan oluşur. Stator, motorun manyetik alan sağlayan hareketsiz bölümüdür; elektromıknatıs şeklinde veya sabit mıknatıslı olabilir. Sarımlardan oluşan rotor ise motorun hareketli kısmını oluşturur. Şekil 4’te düşük güçlü doğru akım motorları görülüyor.   

Şekil 4: DC motorlar

Şekil 5’te farklı tiplerde rotor örnekleri ve kolektör yapısı görülüyor. Bu tip DC motorlar fırçalı doğru akım motoru olarak adlandırılır. Fırça yapısı ve statordaki sabit mıknatıslar ise Şekil 6’daki gibi.  

Şekil 5: Rotor çeşitleri

Şekil 6: Stator ve fırça yapısı

Bir DC motor yardımıyla kolayca elektrik üretilebilir, fakat motorun devir sayısını yükseltmek amacıyla dişli çark grubuna ihtiyaç duyulur. Aksi takdirde indüklenen gerilim çok düşük olur. Dişli çarklar, pilli oyuncak arabalardan sökülebilir. Şekil 7 ve 8’de farklı tiplerde dişli çarklar görülüyor.   

                              Şekil 7: Dişli çarklar                                                                             Şekil 8: Dişli çarklar ve çevirme kolu

Bu tür çark sistemlerinde mekanizmanın kolayca çevrilebilmesi için mutlaka bir çevirme kolu bulunması gerekir. Böylece, çevirme kolu bir tur döndürüldüğünde motor milinin yüzlerce kez dönmesi mümkün olur. Piyasada mandren adıyla satılan bağlantı parçası yardımıyla dişli çarkların çevirme koluna bağlantısı kolayca yapılabilir.

Şekil 9: Mandren

DC motorun mili, çevirme kolu yardımıyla devir/dakika gibi yüksek hızlarda döndürüldüğünde motor uçlarında ölçülen gerilim V seviyelerine ulaşabilir. Kullanılan motorun türüne göre çıkış gerilimi daha yüksek değerde de olabilir. LED lambamızı motor çıkışlarına bağladığımızda ışık elde edebiliriz. Fırça-kolektör düzeneği sayesinde jeneratörün çıkış gerilimi doğrultulmuş halde olduğundan ilave bir doğrultucu devresine gerek kalmaz. Uygun güçte bir motor kullanılırsa jeneratör çıkışından A seviyesinde akım çekilebilir. Jeneratörden akım çekildiği esnada çıkış geriliminde ve devir sayısında bir miktar düşüş gözlenir. Aynı zamanda mekanizmayı çevirmek de zorlaşır.

Şimdi, ikinci etkinliğimize geçebiliriz. Adım motoru ile yapacağımız etkinlik için şu malzemelere ihtiyacımız olacak:

• 1 adet adım motoru (step motor)
• 1 adet çevirme kolu (ahşap veya plastik)
• 4 adet 1N diyot
• 2 adet köprü doğrultucu (1A V vs.)
• 1 adet uF/35V kondansatör
• 1 adet kırmızı LED (5 mm veya 3 mm)
• Dijital multimetre

Adım Motoru

Adım motoru (step motor), elektronik sektöründe yaygın olarak kullanılır. Genellikle hassas konum kontrolü gereken uygulamalarda, örneğin yatay ve düşey eksende harekete ihtiyaç duyan robot uygulamalarında tercih edilir. Yazıcı, disket sürücü gibi elektronik cihazlar içerisinde de bulunur. Adım motorları özel yapıları sayesinde çok küçük açılarla hareket etme yeteneğine sahiptir. Adım motoru kullanılarak bir robot kolu istenilen açılarla döndürülebilir. Örneğin adım sayısı olan bir adım motoru, 1,8 derecelik hassasiyetle dönebilir. Şekil 10’da farklı tiplerde adım motorları görülüyor.

Şekil Adım motoru çeşitleri

Adım motorunun iç yapısındaki sarımlar ve çok kutuplu mıknatıs ise Şekil 11’de görülüyor. Rotor sabit mıknatıstan oluştuğu için bu tür motorlarda bilezik, fırça veya kolektör bulunmaz. 

Şekil Adım motorunun iç yapısı

Kullanılan adım motorunun türüne göre kablo sayısı 4, 5 veya 6 adet olabilir. İki kutuplu (bipolar) motorlarda birbirinden bağımsız bobin çiftleri bulunurken, tek kutuplu (unipolar) motorlarda bobinlerin birer ucu ortak uç olarak dışarı çıkarılır. Şekil 12’de görülen 5 ve 6 kablolu motorlar unipolar, 4 kablolu motor ise bipolar türdedir.   

Şekil Kablo bağlantıları

Bir adım motorunun asıl görevi hassas kontrol işlemlerini gerçekleştirmek olsa da elektrik üretiminde adım motorları rahatlıkla kullanılabilir. DC motorlardan farklı olarak, çok düşük devir sayılarında bile yüksek gerilimler üretebilirler. Örneğin bir DC jeneratörün kullanılabilir seviyede gerilim üretmesi için devir/dakika gibi yüksek hızlara çıkmak gerekirken, adım motorları ile devir/dakika hızda bile hayli yüksek gerilimler üretilebilir. Bu özelliği ile herhangi bir dişli kutusu veya makara sistemi kullanmadan jeneratör yapma imkânı verir. Şekil 13’te görülen çevirme kolu ile motor mili saniyede kez çevrildiğinde, üretilen alternatif gerilimin tepe değeri V seviyesine ulaşabilir. LED lambamızı motor çıkışlarına bağladığımızda ışık elde edebiliriz.    

Şekil Çevirme kolu montajı

Adım motorunun çıkışı AC olduğundan, doğru akımla çalışan cihazları çalıştırabilmek için uygun bir elektronik devre kullanmak gerekir. Elektronik devre, alternatif gerilimi doğrultmaya ve istenirse büyük kapasiteli bir kondansatörü şarj etmeye yarar. Kapasite değeri uF (uF=mikro farad) olabileceği gibi F veya 1F da olabilir. Elektronik devre şeması, kullanılan adım motorunun tek kutuplu veya iki kutuplu olmasına göre farklılık gösterir. Şekil 14’te 4 ve 6 kablolu motorlar için kullanılması gereken doğrultucu devreler görülüyor.

Şekil Doğrultucu devreler

Devre bağlantısını doğru şekilde yapabilmek için öncelikle adım motorunun uçlarını tespit etmek gerekir. Bu iş bir ohm-metre yardımıyla kolayca yapılabilir. Ohm-metrenin probları, adım motorunun herhangi iki kablosuna dokundurulduğunda düşük direnç görülüyorsa o uçlar bobin uçlarını gösterir. Çok yüksek direnç görülüyorsa uçlar arasında fiziksel bağlantı olmadığı anlaşılır. Böylece birkaç ölçüm neticesinde uç tespiti tamamlanır.   

Adım motoru kullanılarak kolayca elektrik üretilebilmesi, güzel bir uygulama yapma fırsatı da verir. Motorun miline Şekil 15’teki gibi bir rüzgâr gülü bağlanırsa, jeneratörün ürettiği gerilim rüzgâr şiddetiyle orantılı olur.

Şekil Rüzgâr jeneratörü

Çıkış geriliminin V kadar yüksek olması için Şekil 16’da görülen güçlü bir adım motoru kullanılabilir. Böylece düşük devir sayılarında yüksek akım sağlayabilen basit ve verimli bir rüzgâr jeneratörü yapmak mümkün olur.

Şekil Kare kesitli adım motoru

Şekil 17’de iki adet kalem pili şarj eden bir rüzgâr jeneratörü görülüyor.

Şekil Adım motorlu rüzgâr jeneratörü

MANYETİZMA

MANYETİZMA Manyetizma, birleşik elektromanyetik kuvvetin bir yönüdür. Neden olduğu kuvvetten kaynaklanan fiziksel olayları olan mıknatıslar, diğer nesneleri çeken veya iten alanlar üreten nesnelerdir. Manyetik alan Lorentz kuvveti nedeniyle alandaki parçacıklara bir kuvvet uygular. Elektrik yüklü parçacıkların hareketi manyetizmaya neden olur. Manyetik bir alanda elektrik yüklü parçacığa etki eden kuvvet, yükün büyüklüğüne, parçacığın hızına ve manyetik alanın gücüne bağlıdır. Tüm malzemeler, bazıları diğerlerinden daha güçlü olan manyetizma yaşar. Demir gibi malzemelerden yapılan kalıcı mıknatıslar, ferromanyetizma olarak bilinen en güçlü etkileri yaşarlar. Nadir istisnalar dışında, bu, insanlar tarafından hissedilebilecek kadar güçlü tek manyetizma biçimidir. Karşıtların Çekimi Manyetik alanlar, dönen elektrik yükleriyle üretilir. Elektronların hepsinin bir açısal momentum veya spin özelliği vardır. Pauli Dışlama İlkesine göre, iki elektronun aynı anda aynı enerji durumunu işgal edemeyeceğini belirten çiftler oluşturma eğilimindedir. Bu durumda manyetik alanları zıt yönlerde olduğundan birbirlerini iptal ederler. Bununla birlikte, bazı atomlar, dönüşü yönlü bir manyetik alan oluşturabilen bir veya daha fazla eşleşmemiş elektron içerir. Dönüşlerinin yönü manyetik alanın yönünü belirler.  Eşlenmemiş elektronların önemli bir çoğunluğu aynı yönde dönüşleriyle hizalandığında, mikroskopik ölçekte hissedilecek kadar güçte bir manyetik alan oluşturmak için birleşirler. Manyetik alan kaynakları, kuzey ve güney manyetik kutba sahip çift kutupludur. Karşıt kutuplar (N ve S) çeker ve benzer kutupları (N ve N veya S ve S) iter. Bu, alanın yönü kuzey kutbundan dışarıya doğru yayılırken ve güney kutbundan girerken, toroidal veya halka şeklinde bir alan yaratır. Dünyanın kendisi dev bir mıknatıstır. Gezegen manyetik alanını erimiş metalik çekirdek içinde dolaşan elektrik akımlarından alıyor. Bir pusula kuzeyi işaret eder çünkü içindeki küçük manyetik iğne asılıdır, böylece kendisini gezegenin manyetik alanıyla hizalamak için kasasının içinde serbestçe dönebilir. Paradoksal olarak, Manyetik Kuzey Kutbu dediğimiz şey aslında bir güney manyetik kutbudur çünkü pusula iğnelerinin kuzey manyetik kutuplarını çeker. Ferromanyetizma Eşlenmemiş elektronların hizalanması, harici bir manyetik alan veya elektrik akımı uygulanmadan devam ederse, kalıcı bir mıknatıs üretir. Kalıcı mıknatıslar ferromanyetizmanın sonucudur. "Ferro" ön eki demire atıfta bulunur çünkü kalıcı manyetizma ilk olarak manyetit, Fe3 O4 adı verilen bir doğal demir cevheri biçiminde gözlenmiştir. Manyetit parçaları, yeryüzünün üzerinde veya yakınında dağınık halde bulunabilir ve bazen bir tanesi mıknatıslanabilir. Doğal olarak oluşan bu mıknatıslara lodestones denir. Birçok araştırmaya göre, çoğu bilim insanı, kireçtaşının yıldırım çarpan manyetit olduğuna inanıyordu. İnsanlar kısa süre sonra demir bir iğneyi bir kireçtaşı ile sürterek mıknatıslayabileceklerini ve iğnedeki eşleşmemiş elektronların çoğunun bir yönde hizalanmasına neden olabileceklerini öğrendiler. MS civarında Çinliler, bir kâse su içinde yüzen bir mıknatısın her zaman kuzey-güney yönünde sıralandığını keşfettiler. Böylece manyetik pusula, özellikle yıldızların bulutlarla gizlendiği gündüz ve gece saatlerinde navigasyon için muazzam bir yardımcı oldu. Demirin yanı sıra diğer metallerin de ferromanyetik özelliklere sahip olduğu bulunmuştur. Bunlar arasında nikel, kobalt ve süper güçlü kalıcı mıknatıslar yapmak için kullanılan samaryum veya neodim gibi bazı nadir toprak metalleri bulunur. Diğer Manyetizma Biçimleri Manyetizma birçok başka biçim alır, ancak ferromanyetizma dışında, genellikle hassas laboratuvar cihazları veya çok düşük sıcaklıklar dışında gözlemlenemeyecek kadar zayıftır. Diyamanyetizma ilk Anton Brugnams tarafından yılında keşfedilmiştir. Brugnams, demir içeren malzemeleri ararken kalıcı mıknatıslar kullanıyordu Bizmutun tüm elementler arasında en güçlü diyamanyetizmaya sahip olduğu belirlendi, ancak Michael Faraday'ın 'te keşfettiği gibi, bir manyetik alan tarafından itilecek olan tüm maddelerin bir özelliğidir. Diyamanyetizma elektronların zayıf manyetik alanlar üreten küçük akım döngüleri oluşturan yörüngesel hareketinden kaynaklanıyor. Bir malzemeye harici bir manyetik alan uygulandığında, bu akım döngüleri uygulanan alana karşı çıkacak şekilde hizalanma eğilimindedir. Bu, tüm malzemelerin kalıcı bir mıknatıs tarafından itilmesine neden olur; ancak ortaya çıkan kuvvet genellikle fark edilemeyecek kadar zayıftır. Bununla birlikte, bazı önemli istisnalar vardır. Grafite benzer bir madde olan pirolitik karbon, bizmuttan bile daha güçlü bir diyamanyetizma gösterir, sadece bir eksen boyunca da olsa ve aslında süper güçlü bir nadir toprak mıknatısının üzerinde yükselebilir. Bazı süper iletken malzemeler, kritik sıcaklıklarının altında daha da güçlü bir diyamanyetizma gösterirler ve bu nedenle nadir toprak mıknatısları üstlerinden kaldırılabilir. (Teoride, karşılıklı itilmeleri nedeniyle biri diğerinin üzerinde yükselebilir.) Paramanyetizma, bir malzeme manyetik bir alana yerleştirildiğinde geçici olarak manyetik hale geldiğinde ve dış alan kaldırılır kaldırılmaz manyetik olmayan durumuna geri döndüğünde ortaya çıkar. Bir manyetik alan uygulandığında, eşleşmemiş elektron spinlerinden bazıları kendilerini alanla hizalar ve diamanyetizmanın ürettiği zıt kuvveti bastırır. Ancak etki yalnızca çok düşük sıcaklıklarda fark edilebilir. Diğer biçimler, daha karmaşık formlar arasında atomların veya moleküllerin manyetik alanlarının yan yana hizalandığı antiferromanyetizma; ve hem ferromanyetik hem de antiferromanyetik etkileşimleri içeren döner cam davranışı. Ek olarak, ferromanyetizma, aralarında paylaşılan birçok benzerlik nedeniyle ferromanyetizma ve antiferromanyetizmanın bir kombinasyonu olarak düşünülebilir. Elektromanyetizma Bir tel manyetik bir alanda hareket ettirildiğinde, alan telde bir akımı indükler. Tersine, hareket halindeki bir elektrik yükü tarafından bir manyetik alan üretilir. Bu, elektromıknatısların, elektrik motorlarının ve jeneratörlerin temeli olan Faraday'ın İndüksiyon Yasası'na uygundur. Düz bir tel boyunca olduğu gibi düz bir çizgide hareket eden bir yük, telin etrafında dönen bir manyetik alan oluşturur. Bu tel bir döngü halinde oluşturulduğunda, alan halka bir şekle veya bir simit haline gelir. Bu manyetik alan, bobinin içine bir ferromanyetik metal çekirdek yerleştirilerek büyük ölçüde artırılabilir. Bazı uygulamalarda doğru akım, akımla açılıp kapatılabilen tek yönde sabit bir alan oluşturmak için kullanılır. Bu alan daha sonra hareketli bir demir kolu saptırarak duyulabilir bir klik sesi çıkarabilir. Bu, 'larda Samuel FB Morse tarafından icat edilen ve uzun ve kısa süreli darbelere dayanan bir ikili kod kullanarak teller üzerinden uzun mesafeli iletişime izin veren telgrafın temelidir. Darbeler, yaylı bir anlık kontak anahtarı veya anahtar kullanarak akımı hızla açıp kapatan yetenekli operatörler tarafından gönderilirdi. Alıcı taraftaki başka bir operatör daha sonra duyulabilir tıklamaları harflere ve kelimelere çevirirdi. Bir mıknatıs etrafındaki bir bobin, bir bobinde bir akımı indüklemek için değişen frekans ve genlik modelinde hareket edecek şekilde de yapılabilir. Bu, başta mikrofon olmak üzere bir dizi cihazın temelidir. Ses, bir diyaframın değişen basınç dalgaları ile dışarı çıkmasına neden olur. Diyafram, manyetik bir çekirdek etrafındaki hareketli bir manyetik bobine bağlanırsa, gelen ses dalgalarına benzer şekilde değişen bir akım üretecektir. Bu elektrik sinyali daha sonra istenildiği gibi yükseltilebilir, kaydedilebilir veya iletilebilir. Küçük süper güçlü nadir toprak mıknatısları artık cep telefonları için minyatür mikrofonlar yapmak için kullanılıyor. Bu modüle edilmiş elektrik sinyali bir bobine uygulandığında, bobinin aynı modelde bir manyetik çekirdek üzerinde içeri ve dışarı hareket etmesine neden olan salınımlı bir manyetik alan üretir. Bobin daha sonra hareketli bir hoparlör konisine bağlanır, böylece havada duyulabilir ses dalgaları üretebilir. Mikrofon ve hoparlör için ilk pratik uygulama, 'da Alexander Graham Bell tarafından patenti alınan telefondu. Bu teknoloji geliştirilmiş ve iyileştirilmiş olmasına rağmen, ses kaydı ve yeniden üretmenin temelini oluşturmaktadır. Elektromıknatısların uygulamaları neredeyse sayısızdır. Faraday'ın İndüksiyon Yasası, modern toplumumuzun yalnızca elektrik motorları ve jeneratörler değil, aynı zamanda her boyuttaki elektromıknatıslar da dâhil olmak üzere birçok yönünün temelini oluşturur.  Bir hurda sahasında hurda arabaları kaldırmak için dev bir vinç tarafından kullanılan aynı prensip, ikili verileri depolamak için bir bilgisayarın sabit disk sürücüsündeki mikroskobik manyetik parçacıkları hizalamak için de kullanılıyor ve her gün yeni uygulamalar geliştiriliyor.   Anıl GÜL