1 KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi
advertisement
KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ELK217 TEMEL ELEKTRİK LABORATUARI-I 1. 2. 3. 4. 5. 6. HAZIRLIK ÇALIŞMALARI Manyetik alan nedir ve nasıl oluşur kısaca açıklayınız. Manyetik devrelerde nüve ne işe yarar kısaca açıklayınız. Transformatör nasıl çalışır çalışma prensibini açıklayınız. Manyetik alan içerisinden geçen bir tele manyetik alanın etkisi nasıl olur açıklayınız. Bu etkinin yönünü ve şiddeti nasıl bulunur açıklayınız. DC motorun çalışma prensibi nedir açıklayınız. 7. Şekil 8’deki devrede R=1kΩ, f=1kHz, V1 gerilim kaynağının maksimum değeri 5V, R direnci üzerine düşen VR geriliminin maksimum değeri 4V ve VR ile V1 arasındaki faz farkı 60o dir. Devreden geçen akımı, endüktansın üzerine düşen gerilimi, endüktansın reaktans değerini ve endüktansın değerini bularak Tablo 1’de ki uygun yere (sarı bölge) yazınız. NOT: Hazırlık çalışmalarını rapor halinde hazırlayarak (rapor kapağı ile birlikte) deneylere geliniz. Hazırlık raporu olmayanlar deneylere alınmıcaktır. ENDÜKTANS ve ELEKTROMANYETİZMA Deneyin Amacı: 1. Bord üzerine devre kurabilme kabiliyeti kazanmak 2. Akım, gerilim ve direnç ölçmeyi öğrenmek 3. Osiloskop kullanmayı öğrenmek 4. Kirchhoff gerilim ve akımlar yasalarını sağlamak ELEKTROMANYETİZMA Elektromanyetik etkileşimler sayesinde, atomları oluşturan elektron ve çekirdekleri bir arada tutulurlar. Çevremizde yer alan olayların birçoğu temelde elektromanyetik kuvvetlerin sonucudur. Elektromanyetizma, doğanın dört temel etkileşiminden biridir (diğerleri güçlü etkileşim, zayıf etkileşim ve gravitasyondur). Elektromanyetizma elektriksel olarak yüklü parçacıklar arasında etkileşime sebep olan kuvvet olarak tanımlanır ve bu etkileşimlerin gözlemlendiği alana elektromanyetik alan denilir. Elektromanyetizma hem elektrik hem manyetik alanla tanımlanmaktadır. Elektrik ve manyetik etkiler, birbirlerine çok yakından bağlı olmalarına karşın birbirlerinden ayrı olarak ele alınarak daha detaylı incelenebilir. Manyetizma ve Manyetik Alan: Manyetizma uygulanan bir manyetik alan varlığında malzemelerin atomik ve atom altı seviyede gösterdikleri tepkiye denir. Her malzeme uygulanan manyetik alandan etkilenir. Bu etki, bazı malzemelerde çok düşüktür ve diyamanyetizma olarak adlandırılırken bazı malzemelerin manyetik alanla etkileşimini günlük yaşamda bile gözlemlenebilir. Bu tip malzemeler ferromanyetiklerdir. Bazı malzemelerin manyetik alanla etkileşimi ise ihmal edilecek seviyededir ve nonmanyetik (manyetik olmayan malzeme) olarak adlandırılırlar (bakır,aluminyum,cam,plastik gibi..). Malzemenin manyetik hali sıcaklık, basınç, uygulanan manyetik alan gibi faktörlere sıkı bir şekilde bağlıdır ve bu faktörlerin değişimi ile malzemenin manyetik fazı değiştirilebilir (mesela belli bir sıcaklık değerinin üzerinde-Curie Sıcaklığı- ferromanyetik malzeme paramanyetik hale dönüşür.). Manyetik alan hareketli yüklerin varlığında oluşur, bu bazen atom altı düzeyde (elektronun çekirdek etrafında dönmesi gibi) ya da makroskopik 1 KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ELK217 TEMEL ELEKTRİK LABORATUARI-I seviyede (bir telden ya da devreden geçen elektrik akımı gibi) olabilir. Elektrik alan nasıl yüklü parçacıklar tarafından oluşturuluyor ve yüklü parçacıklara etki edebiliyorsa manyetik alanda hareketli yükler tarafından oluşturulabildiği gibi onlar üzerine de etki edebilir. Elektrik alan çizgileri pozitif yükten negatif yüke doğrudur, benzer şekilde manyetik alan çizgileri de manyetik kuzey kutuptan manyetik güney kutba doğrudur. Bir mıknatısın kuzey ve güney kutbunu belirleyen temel faktör ise aslında dünyanın manyetik alan çizgilerinin etkisine dayanır. Manyetik alan varlığını göstermenin yolu alan çizgilerini kullanmaktır. Şekilde gösterildiği gibi bir çubuk mıknatıs üzerine demir tozları döküldüğünde manyetik alan çizgileri gözlenebilir. Ayrıca çubuk mıknatısa yaklaştırılan pusulanın ibresinin de bu alan çizgileri varlığıyla sapma yaptığı izlenir. Şekil 1. Manyetik alan çizgileri Manyetik Indüksiyon(B): Bir malzeme manyetik alan uygulandığında (H) malzemenin bu alana tepkisine manyetik indüksiyon(B) denilir. B ve H arasındaki bağlantı malzemenin özelliklerine bağlıdır. Hareketli yüklerin manyetik alan oluşturduğuna değinilmişti. Bir çekirdek etrafında dönen elektronlar bir manyetik alan oluşturur.(Spin Manyetik Moment)Peki neden bazı malzemeler manyetik özelliğe sahipken bazıları değildir? Bu sorunun cevabı domain oluşumuna dayanır. Domain manyetik malzemenin manyetik alan sergileyen en küçük birimi olarak nitelenir. Manyetik malzemeler bulundurdukları domainlerin yönelimlerine göre temel olarak birkaç başlık altında toplanır. Malzeme içersindeki domainler çıplak gözle gözlemlenemez. Bir demanyetize haldeki ferromanyetik malzeme içersinde, farklı domainlerdeki manyetizasyon vektörleri farklı yönleri göstermektedir ve toplam manyetizasyon sıfır kabul edilir. Manyetizasyon işlemi sonucu ferromanyetik malzeme içersindeki domainlerin hepsi aynı yönelime sahip olur ve bu manyetizasyon kalıcıdır. Böylece malzeme içerisindeki tüm manyetik domainler aynı yönelime sahipse malzemenin manyetik alan değeri daha büyüktür. Domain sınırlarında manyetik dipol momentlerinin yönelimi değişir ve malzeme yüzeyinde kutuplanma oluşur. Domain oluşumunu Bitter metodu kullanarak, manyeto optik tetkiklerle (polarize ışık) gözlemlemek mümkündür. Ferromanyetizma: Malzeme içersinde momentler birbirine paralel şekilde yönelirler ve büyük bir net manyetizasyon oluştururlar.Suseptibilite çok büyük olabilir ve hysterisis eğrisi çizebilir. Paramanyetizma: Bireysel atom ya da iyonların manyetik momentleri vardır ve bu momentler toplam manyetizasyonu sıfırlayacak şekilde gelişigüzel yönelimlenmiştir. suseptibilite(manyetik duyarlılık) pozitiftir çünkü dış alan momentleri kısmi olarak alan doğrultusunda yöneltmiştir ve küçüktür çünkü manyetik momentlerin gelişigüzel dağılımına 2 KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ELK217 TEMEL ELEKTRİK LABORATUARI-I sebep olan termal enerji, momentleri alan doğrultusunda yönelimlerini sağlayacak olan manyetik enerjiden daha büyüktür. Antiferromanyetizma: Bireysel atom ya da iyonlardaki manyetik momentler antiparalel şekilde yönelir ve böylece birbirini nötürler(cancel out).Ama paramanyetizmadaki gibi net bir sınıf manyetizasyon gözlemlenmez.Küçükte olsa bir pozitif suseptibilite(manyetik duyarlılık) vardır. Ferrimanyetizma: Mikroskopik olarak antiferromanyetizmaya benzer;kendi içinde paralel yönelimlenmiş iki farklı tip manyetik moment seti vardır.bunlar ise birbirlerine ters yönelimlenmiştir böylece her iki tip manyetik latticede manyetik momentlerin büyüklüğü farklıdır ve bir net manyetizasyon gözlenir. suseptibilite(manyetik duyarlılık) büyük ve pozitiftir ve hysterisis eğrisi çizerler. Faraday İndüklenme Yasası : Hareketli yüklerin manyetik alan üreteceği daha önce açıklanmıştı. Peki bunun tersi mümkün müdür? Fiziksel olarak ne anlama gelebilir? Hareketli elektrik yüklerinin nasıl manyetik alan oluşturacağı açıklandı. Manyetik alanın ise elektrik akımı üretmesi 1931 de Faraday tarafından gözlemlenmiştir. Faraday (ve Henry) bir kapalı elektrik devresi yakınlarında bir çubuk mıknatısın hareket etmesiyle devreye bağlı galvanometre ibresinde bir sapma gözlemlediler. Yandaki şekilde N sarımlı bir tel galvanometreye bağlı olsun. Bir çubuk mıknatıs galvanometreye yaklaştırıldığında çubuk mıknatısın oluşturduğu manyetik alan çizgileri bu sarımlı telin oluşturduğu çemberin içerisinden geçecektir. Bu esnada galvanometre ibresinde sapma gözlenir. Bu sapmanın sebebi manyetik alan çizgileri belirtilen alandan geçerken sağ el kuralı gereği tel üzerinde anlık bir akım oluşur. Bu akımı daha iyi anlayabilmek için manyetik akıyı inceleyelim. Manyetik akı Φ belirli bir alandan geçen manyetik alan çizgilerinin sayısıdır. Tüm alan üzerinden manyetik alan vektörü B toplanırsa; B.dA B. A.cos (1) alan θ manyetik alan çizgileri ve yüzey normal vektörü arasındaki açıdır. Manyetik akının zamanla değişimi tel halkaları üzerinde bir emf oluşturur; İndüklenmiş emf olarak tanımlanan bu voltaj değeri telin sarım sayısına bağlıdır; d V N (2) dt Eğer akının değeri yerine yerleştirilirse; z yönünde bir manyetik alan için; dB V NA z (3) dt Şekilde gösterildiği gibi manyetik akıyı oluşturan eğer bir çubuk mıknatıssa bu mıknatısın hareket hızına; dB z dB z dz dB z vz (4) dt dz dt dz V NA şeklinde ulaşılabilir. 3 dBz vz dt (5) KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ELK217 TEMEL ELEKTRİK LABORATUARI-I B B A A 𝜃 = 0𝑜 𝜃 = 180𝑜 A 𝜃 = 90𝑜 ∅=0 ∅ = −B. A ∅ = B. A ∅ = B. A. cos(𝜃) Şekil 2. Manyetik akı ile açın arasındaki ilişki İndüklenmiş emf değeri; Faraday Yasası: N s i N t t s ti (6) Lenz Yasası: Bir halkada indüklenme akımı (halkadan geçen manyetik akı değişimine bağlı olan) her zaman bu değişimi ters yönde etkileyecek şekilde olur. Başka bir deyişle de bir halkada indüklenme akımı orijinal akı değişimine ters olacak bir manyetik akı oluşturur. Faraday yasasını yazarken kullanılan eksi işaretin temel sebebi budur. Çubuk mıknatıs halkaya yaklaştırıldıkça daha çok alan çizgisi halkadan geçer ve bu esnada halkada indüklenme akımı oluşur. Çünkü bilindiği gibi akım taşıyan bir halka manyetik alan oluşturur. Halka üzerinde oluşan bu indüklenme akımı da orijinal manyetik alan çizgilerine ters yönde manyetik alan çizgileri oluşturur. İndüktör ve İndüktif Reaktans: Manyetik alan varlığını basit devrelerde gözlemlemenin çeşitli yolları vardır. Bir elektrik devresinde uygulanan DC gerilim için direnç olarak tanımlanan devre elemanının akıma karşı geldiğini biliyoruz. Eğer devreye bir AC gerilim uygulanırsa oluşacak akımda zamanla değişen bir formda olur ve bu durumda direnç reaktans olarak adlandırılır. Devrede manyetik alanı indükleyecek bir indüktörün bulunduğu durumda ise indüktif reaktans olarak tanımlanır. Bir direnç bobin ve güç kaynağı bulunan şekildeki devre kurulduğunda bobinden geçen akımın artmasıyla oluşacak olan indüklenmiş emf bu akımın artışına karşı gelmek isteyecektir. Bunu şematik olarak sanki bir “geri emf” varmış gibi şekildeki gibi gösterebiliriz. R L V Şekil 3. Geri emf oluşumu 4 emf KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ELK217 TEMEL ELEKTRİK LABORATUARI-I N I L t t burada L; bobinin indüktans değeridir birimi Henry dir. 5 (6) KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ELK217 TEMEL ELEKTRİK LABORATUARI-I DENEYİN YAPILIŞI 1. DENEY : Manyetik Akı Çizgileri ve Manyetik Akının Artırılması 1. Şekil 4’de ki gibi mıknatısın üzerine kağıt yerleştirerek demir tozlarını üzerine serpiniz ve manyetik akı çizgilerini gözlemleyerek aşağıdaki grafik üzerine akı çizgilerini çiziniz. . .. .... ........ Şekil 4. Manyetik akı çizgileri 2. Yandaki tablodaki doğru gerilim ve devre elemanlarına göre Şekil 5.a’da ki devreyi kurun ve bobinin içerisine demir çubuk yerleştirip çıkararak lambalarda ışık değişikliği oluyor mu gözlemleyiniz. 3. Doğru gerilim kaynağı yerine alternatif gerilim kaynağını yerleştirerek Şekil 5.b’de ki devreyi kurunuz. Demir çubuğu bobinin içerisine yerleştirip çıkararak lambalarda değişimi oluyor mu gözlemleyiniz. Değişim oluyor ise nedeni ne olabilir yorumlayınız. R V R L V1(t) L Lambalar Şekil 5. a) DC gerilimde bobin çalışması Lambalar b) AC gerilimde bobin 6 Eleman Değeri V 5V V1(t) 5.sin(wt)V f 1kHz R 1kΩ L 500mH KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ELK217 TEMEL ELEKTRİK LABORATUARI-I 2. DENEY : Manyetik Alanın İkinci Bir Sarıma Etkisi R R V L1 A L2 L1 V1(t) L2 A Eleman Değeri V 5V V1(t) 5.sin(wt)V f 1kHz R 1kΩ L1 500mH L2 500mH Şekil 6. a) DC gerilimde bobinin etkisi b) AC gerilimde bobin etkisi 1. Yandaki tablodaki DC gerilim ve devre elemanlarına göre Şekil 6.a’da ki devreyi kurun ve L2 sarımından akıp akmadığını kontrol etmek için ampermetreye bakarak kontrol ediniz. Akım akmıyor ise nedenini açıklayınız. 2. L2 sarımından akım akıtmak için ne yapılabilir açıklayınız (DC gerilim bağlı iken). 3. Yandaki tablodaki AC gerilim ve devre elemanlarına göre Şekil 6.b’da ki devreyi kurun ve L2 sarımından akıp akmadığını kontrol etmek için ampermetreye bakarak kontrol ediniz. Akım akıyor ise neden akım aktığını açıklayınız. 4. Alan akımı artırmak için neler yapılabilir? R V1(t) L1 V Şekil 7. İçinden akım geçen tele manyetik alanın etkisi Eleman Değeri V 5V V1(t) 5.sin(wt)V f 1kHz R 1kΩ L1 500mH 5. Şekil 7’de ki devreyi ve içinden doğru akım geçen telin manyetik alan içerisindeki davranışını inceleyin. 6. Telden geçen doğru akımın yönünü değiştirin ve telin hareketini yorumlayın. 7. Bu gibi bir düzenek ile bir motor nasıl yapılabilir açıklayınız. 7 KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ELK217 TEMEL ELEKTRİK LABORATUARI-I 3. DENEY : Endüktansın Değerinin Hesaplanması I1 V1(t) R Eleman Değeri V1(t) 5.sin(wt)V f 1kHz R 1kΩ L L Şekil 8. Endüktansın değerinin bulunması 1. Şekil 8’de ki devreyi yandaki tablodaki eleman değerlerine göre bord üzerine kurunuz. (Endüktansın değerini bilmediğimizi varsayılıyor.) 2. Osiloskop yardımı ile V1(t) gerilim kaynağı ve R direnci üzerine düşen gerilimi aynı anda gözlemleyip Şekil 9 a’ya osiloskop ekranındaki görüntüleri ölçekli olarak çiziniz. 3. Osiloskop ekranındaki görüntülerden yararlanarak iki gerilim arasındaki faz farkını hesaplayınız ve gerilimlerin maksimum değerlerini hesaplayınız. 4. Üstte hesaplanan faz farkı ve maksimum değerlere göre bu devrenin (bobinde dahil olmak üzere) fazör diyagramını Şekil 9 b’ye çiziniz ve Tablo 1 de uygun yere bu değerlere yazınız. 5. Fazör diyagramı kullanarak endüktansın gerilimini (VL), devreden geçen akımı, endüktansın reaktansını hesaplayınız. 6. Endüktans değerinin reaktans değerini ve gerilim kaynağının frekansını kullanarak endüktans değerini hesaplayınız ve Tablo 1’de uygun yere yazınız. 7. Aynı işlemleri endüktansın içerisine nüve yerleştirerek tekrarlayınız, sonuçları Şekil 10’a çiziniz ve bu durumdaki endüktans değerini hesaplayarak Tablo 1’de ki uygun yerlere sonuçları yazınız. Şekil 9. a) Osiloskop ekranı b) Fazör diyagram 8 KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ELK217 TEMEL ELEKTRİK LABORATUARI-I Şekil 10. a) Osiloskop ekranı (nüve varken) b) Fazör diyagram (nüve varken) Tablo 1. Şekil 8 devresine göre elde edilen sonuçlar Faz Farkı ve Gerilimlerin Maksimum Değerleri Hazırlık Raporu Sonuçları 𝝓V-R 𝝓V-R 60o V V1 5V V1 A I1 I1 V VR 4V VR V VL VL Ω wL wL H L L A Ω H Nüve Varken Ölçülen değerler 𝝓V-R V1 I1 VR VL wL L V A V V Ω H ÖNEMLİ NOT Deneylerin düzgün bir şekilde yapılabilmesi için hazırlık sorularının yapılması ve yöntemlerin teorik kısmının iyi bilinmesi gerekmektedir. 9
