Alternatif Akım ve Transformatör
Doğru akım kaynaklarının oluşturduğu elektrik akımının yönü ve şiddeti değişmez. Doğru akım DC harfleri ile gösterilir. Akü, pil, güneş pili ve dinamo gibi elektromotor kuvvet kaynakları doğru akım kaynaklarıdır.
Zamanla yönü ve şiddeti değişebilen akıma ise alternatif akım denir. Alternatif akım AC harfleri ile gösterilir. Alternatif akım üretmeye yarayan araçlara ise alternatör denir.
Alternatif Akımın Özellikleri
Faraday Yasası'na göre, düzgün manyetik alandaki bir tel çerçevenin şekildeki gibi sürekli döndürülmesiyle, zamana bağlı olarak periyodik bir şekilde yönü ve şiddeti değişen bir indüksiyon akımı elde edilir. Bu akıma alternatif akım denir.
- Alternatif akım, elektrik santrallerinde alternatör aracılığıyla üretilir.
- Alternatif akım, şehirlere elektrik hatlarıyla taşınır. Bu nakil sırasında hatlarda enerji kayıpları olur. Kaybı azaltabilmek için santralde üretilen alternatif akımın gerilimi yükseltilir.
- Güç formülü olan \(W=i.V\)'ye göre, gerilim yükseltildiğinde akım düşeceği için daha düşük akımla enerji kaybı en aza indirilir. Akım azaldığı için daha ince teller kullanılabilir. Bu da ilk kurulum maliyetini azaltan bir etkidir.
- Alternatif akım jeneratörlerinin elektrik üretim verimi, doğru akım jeneratörlerine göre çok daha fazladır.
- Alternatif akım motorlarının maliyeti doğru akım motorlarına göre çok düşüktür ve bu motorlar çok bakım gerektirmez.
- Doğru akım motorlarında gerilim sabit olduğundan devir ayarı ve düzenliliği alternatif akım motorlarına göre daha kolay yapılmaktadır. Doğru akım motorlarının kullanıldığı yerlerde alternatif akım doğru akıma çevrilerek kullanılmaktadır.
- Alternatörlerdeki çerçevenin dönme frekansı aynı zamanda alternatif akımın da frekansıdır.
- Kullanılan alternatif akımın frekansı ülkedek ülkeye değişiklik gösterebilir.
- Alternatif akım ile elektroliz olayı ve akü şarjı yapılamaz.
- Doğru akımın depo edilebilmesi ve taşınması alternatif akıma göre daha kolaydır.
- Aynı gerilim altında doğru akım, alternatif akıma göre can güvenliği açısından daha az tehlikelidir.
- Cep telefonu, bilgisayar gibi aletler doğru akımla çalışırken, çamaşır makinesi, bulaşık makinesi gibi aletler alternatif akımla çalışır. Elektrikli ısıtıcı ve lamba gibi aletler ise hem doğru hem de alternatif akımla çalışabilir.
Alternatif Akımın Etkin ve Maksimum Değerleri
Bir dirençten alternatif akım geçtiğinde açığa çıkan ısıyı, aynı dirençten aynı sürede yayabilen doğru akım değerine alternatif akımın etki değeri denir.
Direnci R olan bir iletkenden t süre boyunca alternatif akım geçtiğinde ısıya dönüşen enerji;
- \(W = i_{etkin}^2.R.t\)
Alternatif akım devrelerinde güç;
- \(W = i_{etkin}^2.R\)
Alternatif akım devrelerinde Ohm kanununu kullanırken, gerilim ve akım değerlerinin aynı türden değerler olduğuna dikkat edilmelidir.
- \(V_{etkin} = i_{etkin}.R\)
- \(V_{max} = i_{max}.R\)
Alternatif akım devrelerinde kullanılan ampermetre ve voltmetrenin ölçtüğü değerler akım ve gerilimin etkin değerleridir.
Etkin değerlerin kullanılması, alternatif akım değerlerinin doğru akım cinsinden ifade edilmesinde kolaylık sağlar.
Etkin değerler maksimum değerden küçüktür.
Alternatif Akım Devrelerinde Direnç
Alternatif akım devrelerinde akıma gösterdiği zorluk sebebiyle sadece ısı kayıpları ile etki gösteren dirence ohmik direnç denir. R ile ifade edilen dirençtir.
- R'nin değeri alternatif akım kaynağının frekansına bağlı değildir.
- Akımın yönünün ve şiddetinin değişmesi direncin devredeki davranışını değiştirmez.
Alternatif Akım Devrelerinde Sığaç
Bir alternatif akım kaynağına bağlanan şekildeki sığaçtan sürekli yönü ve şiddeti değişen bir akım geçer. Bundan dolayı sığaç sürekli yüklenir ve boşalır.
Sığacın alternatif akıma karşı gösterdiği dirence kapasitif reaktans denir. \(X_c\) ile gösterilir ve birimi ohmdur \((\Omega)\).
Sığacın alternatif akıma karşı gösterdiği direnç,
- Sığa (C) ile ters orantılıdır.
- Frekans ile ters orantılıdır.
Sığaya kapasitans denir. SI'daki birimi faraddır.
- İdeal sığaç devrede enerji harcamaz.
Şekil-1'deki gibi doğru akım kaynağına bağlanan yüksüz bir sığaç dolmaya başlar. Sığaç dolduğunda devreden akım geçmez. Buna göre devredeki lamba ancak sığaç dolana kadar ışık verir. Şekil-2'deki lamba ise sığaç sürekli dolup boşalacağından sürekli ışık verir.
Alternatif Akım Devrelerinde Bobin
Akımın zamanla değişmesi, bobinde öz indüksiyon akımının oluşmasına neden olur.
- Öz indüksiyon akımından dolayı bobin deve akımına direnç gösterir.
- Bobinin alternatif akıma karşı gösterdiği dirence indüktif reaktans denir. \(X_L\) ile gösterilir ve birimi ohmdur. \((\Omega)\)
Bobinin alternatif akıma karşı gösterdiği direnç,
- Öz indüksiyon katsayısı (L) ile doğru orantılıdır.
- Frekans ile doğru orantılıdır.
Öz indüksiyon katsayısına indükstans denir. SI'daki birimi Henry'dir.
- Alternatif akım devresine bağlı bobin, elektrik enerjisini depo eder ve depoladığı enerjiyi tekrar verir. Bu nedenle ohmik direnci ihmal edilen ideal bir bobin, alterntif akım devresinde enerji harcamaz.
- Bobin ile istenilen frekans ve akım şiddeti ayarlanabilir. Bu nedenle radyo, motor ve elektromıknatıslarda bobinlerden yararlanılır.
Bir bobin, potansiyel farkları eşit olan doğru akım ve alternatif akım kaynaklarına bağlanmış olsun. Bu durumda Şekil-1'deki devreden geçen akım, Şekil-2'deki devreden geçen akımdan büyük olur. Bunun nedeni Şekil-2'deki devreden geöen alternatif akımına karşı ohmik direnç haricinde bobinin bir direnç daha (indüktif reaktans) oluşturmasıdır.
Empedans ve Rezonans
RLC devresinin alternatif akıma karşı gösterdiği dirence empedans denir.
- Empedans Z harfi ile gösterilir ve birimi ohm'dur. \((\Omega)\)
Bir RLC devresinde, sığacın kapasitif reaktansı ile bobinin indüktif reaktansı birbirine eşitlendiğinde \((X_L=X_C)\) devre direnci en küçük değerini alır ve buna rezonans durumu denir.
Rezonans durumunda devrenin empedansı(direnci) en küçük değeri aldığından akım en büyük değerini alır.
Bir radyoda rezonans frekansı yakaladığında ses daha net çıkar.
Transformatörler
Alternatif akımı ve gerilimi yükseltmek ya da alçaltmak için kullanılan araçlara transformatör denir.
Transformatörler demir çekirdek üzerine yerleştirilmiş iki bobinden oluşan ve bobinlerden birine uygulanan alternatif giriş gerilimini değiştiren araçlardır.
- Transformatörlerde gerilimin uygulandığı birinci bobine primer (giriş), çıkıştaki ikinci bobine sekonder (çıkış) bobin denir.
Transformatör, manyetik akı değişim prensibine göre çalışır.
- Giriş devresine alternatif akım verildiğinde, bu değişken akım giriş devresinin bobininden değişken bir manyetik alan yayılmasına neden olur.
- Bu manyetik alan demir çekirdek tarafından çıkış devresinin bobinine aktarılır. Çıkış devresinde oluşan manyetik akı değişimi burada indüksiyon elektromotor kuvveti oluşturur.
Faraday yasasından aşağıdaki formüller elde edilir.
\[V_{primer} = -N_{primer}.\frac{\Delta\Phi_{primer}}{\Delta t} \]
\[V_{sekonder} = -N_{sekonder}.\frac{\Delta\Phi_{sekonder}}{\Delta t} \]
\[\frac{V_{primer}}{V_{sekonder}}=\frac{N_{primer}}{N_{sekonder}} \]
- N, V ise; 5N 5V dir.
Primer bobininin sarım sayısı sekonder bobininin sarım sayısından fazla ise transformatör gerilimi düşürür. Bu tür transformatörlere alçaltıcı transformatörler denir.
Primer bobininin sarım sayısı sekonder bobininin sarım sayısından az ise transformatör gerilimi yükseltir. Bu tür transformatörlere yükseltici transformatörler denir.
Transformatörler doğru akımda çalışmaz. Sadece alternatif akımda çalışırlar.
Elektrik enerjisi iletken kablolarla üretim sahasından kullanım alanlarına iletilirken enerjinin bir kısmı kablolarda ısıya dönüşür. Isı kaybını azaltmak için akım şiddetini azaltmak gerekir. Bu yüzden şehir şebekelerine gelinceye kadar, enerji kaybının en aza indirilmesi için, üretilen elektrik enerjisinin gerilimi yükseltici transformatörlerle arıtılarak akım şiddeti azaltılır.
İletim için yükseltilen gerilim, şehirlerin girişinde ve mahallelerde tekrar düşürülür. Evlerde daha da düşük gerilimle çalışan küçük ev aletleri için gerilim alçaltıcı adaptörler kullanılır.
Transformatörlerde girişe uygulanan güce giriş gücü, çıkıştan alınan güce de çıkış gücü denir. Transformatörü oluşturan parçalardaki ısı kaybından dolayı çıkış gücü giriş gücünden az olur.
- Transformatörlerde çıkıştan alınan gücün, girişe uygulanan güce oranına verim denir.
\[Verim = \frac{P_{sekonder}}{P_{primer}} \]
\[Verim = \frac{V_s.i_s}{V_p.i_p} \]
Aşağıdaki şekildeki gibi ardışık bağlı transformatörlerde giriş devresine verilen alternatif gerilim, bobinlerin sarım sayılarına göre diğer bobinlere aktarılır. L ve M bobinlerinin uçları birbirine bağlı olduğu için bu bobinlerdeki gerilimler (V) daima birbirine eşittir.
\[\frac{V_K}{V_P}=\frac{N_K}{N_L}.\frac{N_M}{N_P} \]
Questions
- V=i.R dir.
- Direnç ve sığaç seri bağlandığında frekans değişse de direncin direnci değişmez. Fakat sığacın direnci azalır. Bu sebeple frekans artırılırsa akım artar.
- Birincisinde sığaç dolduğunda devrede diğer pile paralel bağlanmış bir pil gibi davranır. Lamba yanmaya devam eder.
- İkincisinde de alternatif akım olduğu için lamba yanmaya devam eder.
- Üçüncüsünde sığaç dolduğunda iki uç arasında potansiyel fark kalmayacağından akım geçmez, lamba söner.
- Alternatif akım devresinde bobinin uyguladığı öz indüksiyon akımı sebebiyle ampermetreden geçen akım daha düşük olmalıdır. Eşit olduğuna göre, ikinci devreden 1. devreye göre daha fazla akım geçiyor demektir.
- Alternatif akım devrelerinde güç, R devre elemanının direnci olmak üzere \(W=i_{etkin}^2.R\) formülü ile hesaplanır. Burada R daha büyük ve i aynı olduğundan dolayı, 2. devredeki bobinin ortalama gücü daha yüksektir.
- Şu anda rezonans halinde oldukları için frekans artırılsa da azaltılsa da empedans artar ve akım azalır.
