11. Sınıf Fizik · Ünite 2
Barajlardan Prizlere: İndüksiyon Akımı ve Elektrik Üretimi
Türkiye'nin dev barajlarında mekanik enerjinin nasıl elektriğe dönüştüğünü ve manyetik akı değişiminin indüksiyon akımını nasıl oluşturduğunu keşfedin.
Kazanım FİZ.11.2.11 · 40 dk okuma
Büyük Barajların Sırrı
Atatürk ve Keban Barajı gibi devasa yapılar, ülkemizin elektrik ihtiyacının önemli bir kısmını karşılar. Peki, akan su nasıl oluyor da evlerimizi aydınlatan elektriğe dönüşüyor? Cevap, suyun mekanik enerjisinde ve manyetizmanın gizemli dünyasında saklı.
Barajlarda yüksekten düşen su, büyük türbinleri döndürür. Bu dönme hareketi (mekanik enerji), jeneratör adı verilen cihazlara aktarılır. Jeneratörlerin içinde dev mıknatıslar ve tel bobinler bulunur. Türbinler döndükçe, mıknatıslar veya bobinler hareket eder ve böylece elektrik üretilir.
Manyetik Akı ve Değişimi
Bu üretimin kalbinde 'manyetik akı' kavramı yatar. Manyetik akı, belirli bir yüzeyden geçen manyetik alan çizgilerinin sayısı olarak düşünülebilir. Bir mıknatısı kapalı bir tel halkaya (bobine) yaklaştırıp uzaklaştırdığınızda, halkanın içinden geçen manyetik alan çizgilerinin sayısı, yani manyetik akı değişir.
Kendi Elektriğimizi Üretelim: İndüksiyon Akımı
Siz de basit bir düzenek kurarak mekanik enerjiyi elektriğe dönüştürebilirsiniz. Bir karton borunun üzerine bakır teli defalarca sararak bir bobin elde edin. Telin iki ucunu hassas bir akım ölçere (galvanometre) veya küçük bir LED lambaya bağlayın. Güçlü bir neodyum mıknatısı bu borunun içine hızla sokup çıkardığınızda, mekanik enerjinizin elektrik enerjisine dönüştüğünü ve akım oluştuğunu göreceksiniz. İşte bu akıma 'İndüksiyon Akımı' diyoruz.
İndüksiyon Gerilimi (Elektromotor Kuvvet)
Akımın oluşabilmesi için devrede bir gerilim (potansiyel fark) olması gerekir. Manyetik akıdaki değişimin oluşturduğu bu gerilime 'İndüksiyon Elektromotor Kuvveti (EMK)' veya indüksiyon gerilimi denir. Faraday'ın İndüksiyon Yasası'na göre, indüksiyon geriliminin büyüklüğü birim zamandaki manyetik akı değişim hızıyla doğru orantılıdır.
Bu matematiksel modelde; epsilon indüksiyon gerilimini (Volt), N bobindeki sarım sayısını, delta fi manyetik akıdaki değişimi (Weber) ve delta t geçen süreyi (saniye) temsil eder. Formüldeki eksi işareti, oluşan akımın kendini var eden nedene (akı değişimine) karşı koyacak yönde oluştuğunu belirten Lenz Yasası'ndan gelir.
Yukarıdaki modelde, bir mıknatısın bobine doğru hareket etmesiyle manyetik akı zamanla değişir. Mıknatısı ne kadar hızlı hareket ettirirseniz (zaman aralığı küçülürse) veya sarım sayısını ne kadar artırırsanız, elde edeceğiniz indüksiyon gerilimi o kadar büyük olur.
Barajlardan Prizlere: İndüksiyon Akımı ve Elektrik Üretimi: Alıştırma Soruları
1. Hidroelektrik santrallerinde elektrik üretiminin temel fiziksel ilkesi aşağıdakilerden hangisidir?
- A) Suyun mekanik enerjisinin doğrudan kimyasal enerjiye dönüşmesi
- B) Manyetik akı değişimi yoluyla mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüşmesi
- C) Suyun ısıtılarak buhar basıncıyla elektrik üretilmesi
- D) Durağan elektrik yüklerinin sürtünmeyle harekete geçmesi
Cevabı göster
Doğru cevap: B) Manyetik akı değişimi yoluyla mekanik enerjinin elektrik enerjisine dönüşmesi
Barajlarda türbinlerin dönmesiyle oluşan mekanik enerji, jeneratörlerdeki manyetik akı değişimi sayesinde indüksiyon akımına, yani elektrik enerjisine dönüşür.
2. İndüksiyon akımı oluşturmak isteyen bir öğrenci, basit bir kapalı tel halka ve bir çubuk mıknatıs kullanmaktadır. Öğrenci aşağıdaki eylemlerden hangisini yaparsa tel halkada kesinlikle elektrik akımı oluşmaz?
- A) Mıknatısı halkanın içine doğru hızla itmek
- B) Halkayı sabit duran mıknatıstan uzaklaştırmak
- C) Mıknatısı ve halkayı aynı hızda ve aynı yönde hareket ettirmek
- D) Mıknatıs halkanın içindeyken mıknatısı hızla geri çekmek
Cevabı göster
Doğru cevap: C) Mıknatısı ve halkayı aynı hızda ve aynı yönde hareket ettirmek
İndüksiyon akımının oluşması için manyetik akının zamanla değişmesi (bağıl hareket) gerekir. İkisi de aynı yönde aynı hızda hareket ederse akı değişmez ve akım oluşmaz.
3. Bir bobin içindeki manyetik akı 0,2 saniye içerisinde 15 Weber'den 35 Weber'e çıkmaktadır. Bobin tek bir tel sarımından (N=1) oluştuğuna göre, oluşan indüksiyon geriliminin büyüklüğü kaç Volt'tur?
- A) 20
- B) 50
- C) 100
- D) 150
Cevabı göster
Doğru cevap: C) 100
Gerilimin büyüklüğü akı değişimi bölü geçen süre ile bulunur. Akı değişimi 35 - 15 = 20 Weber'dir. 20 / 0,2 = 100 Volt.
4. Kendi elektrik jeneratörünü tasarlayan Ayşe, ürettiği indüksiyon akımının şiddetini artırmak istiyor. Buna göre Ayşe; I. Daha güçlü bir mıknatıs kullanmak, II. Bobindeki sarım sayısını azaltmak, III. Mıknatısı bobin içinde daha hızlı hareket ettirmek işlemlerinden hangilerini tek başına yapmalıdır?
- A) Yalnız I
- B) I ve III
- C) II ve III
- D) I, II ve III
Cevabı göster
Doğru cevap: B) I ve III
İndüksiyon gerilimi ve akımı; daha güçlü mıknatıs (akı değişimini artırır) ve daha hızlı hareket (süreyi kısaltır) ile artar. Sarım sayısını azaltmak ise gerilimi düşürür.
5. 50 sarımlı bir bobinde indüksiyon geriliminin büyüklüğü 25 Volt olarak ölçülmektedir. Bu gerilimin oluştuğu zaman aralığı 0,4 saniye olduğuna göre, bobinin içinden geçen manyetik akı değişimi kaç Weber'dir?
- A) 0,2
- B) 10
- C) 500
- D) 3125
Cevabı göster
Doğru cevap: A) 0,2
Formüle göre 25 = 50 * (Akı değişimi / 0,4). Buradan (Akı değişimi / 0,4) = 0,5 olur. Akı değişimi = 0,5 * 0,4 = 0,2 Weber olarak bulunur.