JENERATÖR

Bir jeneratör,örneğin sabit bir mıknatısın manyetik alanı içerisinde döndürülen iletken bir bobinden oluşur.Bobin bir türbin tarafından döndürülür ve ikisi birlikte,bir ‘türbin-jeneratör’ ya da ‘türbin alternatör’ sistemi oluşturur.Şekil 1’de böyle bir düzeneğin  alternatör kısmı var.Çizimibasit tutmak amacıyla,bobin tek sarımlı olarak gösterilmiş.Bobin,şekilde görülmeyen türbin tarafından , açısal hızıyla saat yönünde döndürülüyor.Mıknatısın manyetik alanı Bm, yön ve büyüklükçe sabit.Sarımın sınırlandığı A yüzeyine dik olan birim vektör k, Bm, ile α açısını yapıyor.Bobin saat yönünde döndürüldüğünden,bu açı,sarım döndükçe büyüyor.Başlangıç değeri  0 olarak alınırsa: α=ωt .Manyetik alan  Bm’ nin gördüğü ‘etkin sarım alanı’ A.cos.‘ya eşit ve zamanla değişiyor.Dolayısıyla,sarımdan geçen ‘etkin akı’ miktarı  φ, A.Bm.cosα=A.Bm.cos(ωt)’ye eşit olup,zamanla değişmektedir.Bu durumda bobin,Faraday Yasası gereği,içinden geçen manyetik akı miktarındaki değişime karşı koyan bir tepki oluşturur.Şöyle ki,sarımdan geçen

manyetik akı,örneğin gösterilen durumda olduğu gibi,yukarı doğruyken azalmakta ise;bobinin uçları arasında;akıdaki bu azalmayı frenlemeye,yani yukarı yöndeki akıyı arttırmaya yönelik bir manyetik alanı üretecek olan akıma yol açacak şekilde bir gerilim oluşur.Gösterilen tepki aslında,bobinin yapıldığı iletkenin yapısındaki taşıyıcı yüklerden kaynaklanmaktadır ve cisimlerin kütleleri nedeniyle ivmelenmeye karşı gösterdikleri tepkiye benzetilebilir.Sonuç olarak

endüklenmesine çalışan manyetik alan Be, sarımının sınırladığı yüzeye dik olan birim k vektörünün yönünde olduğundan,bu manyetik alanı üretebilecek olan akım ve dolayısıyla da endüklenen gerilim,sağ el kuralına göre;sağ elin başparmağı Be yönünde dikleştirildiğinde,kıvrılan diğer başparmakların işaret ettiği yönde olmak zorundadır.Şekildeki sağ el çizimi,akımın yönünü gösteriyor.Fakat bu akım ancak,sarımdan güç çekildiği taktirde oluşacak,aksi halde bobinin uçları arasındaki gerilim ɛ,sarım içerisindeki herhangi bir akım dolaştıramayacaktır.Gerilimin büyüklüğü,Faraday Yasası’na göre,N sarımlı bir bobin için ɛ=-N.dφ/dt ifadesiyle verilir. Yani: ɛ=-N.d/dt(A.Bm.cosωt)=N.d.A.Bm.ω.sinωt.

Bu gerilimin yönü,bobinin her turunda iki kez yön değiştiriyor olmakla beraber,bobinin uçlarındaki kesikli halkaya dokunan fırçalar,yarım halkalara kah bir,kah da diğer sırada değdiklerinden,fırça uçlarındaki gerilim,üstteki V-t grafiğinde görüldüğü gibi hep aynı yönde,yani DC’dir. Dolayısıyla,şekilde gösterilen düzenek,bir DC jeneratörü oluşturur.Fırçalar genellikle grafikten yapılmıştır ve yarım halkalarla temas ettikleri yüzeylerde,sık sık elektrik arkları oluşur.Örneğin bir matkapın sırtındaki yarıkların içinde görülen kıvılcımları bu arklardan kaynaklanmakta ve temas yüzeylweini aşındırmaktadır.DC jeneratörleri bu yüzden,sorunlu ve görece kısa ömürlüdür.Oysa fırçalar  kullanılmadığında,bobinin uçları arasında, AC gerilimi elde edilir.Böyle bir AC jeneratörü ,yapısı  görece basit olduğundan ,daha az sorunlu ve daha uzun ömürlü olur.AC gerilimin tercih nedenlerinden birisi budur.

Jeneratörden güç çekmediği sürece,bobin sarımlarında gerilim var olmakla beraber,akım dolaşmkatadır.Güç çekildiğinde,bobin sarımlarında akım dolaşmaya başlar.Akım,sarımların iletken yapısındaki elektronlar tarafından taşınmaktadır.Hareket halindeki bu elektronla,mıknatısın sabit alanı tarafından Fe=qvxBm=-evxBm kuvveti uygulanır.O zaman şu soru doğuyor :Şekilde bir dikdörtgen olarak gösterilmiş sarımın sağ yada sol kenarı x,ön ve arka kenarları da y uzunluğunda ise,bu kenarlar üzerindeki toplam kuvvetlerin büyüklükleri nedir?... Sarımı oluşturan iletkenin yapısının,uzunluğu boyunca aynı olduğunu varsayalım.İletken içerisinde serbestçe dolaşabilen elektronların sayısı,birim

uzunluk başına n ve uzunluk boyunca ortalama hareket ,yani ‘sürüklenme hızı’ da v olsun. O halde,iletkenin herhangi bir kesitinden saniyede n.v tane elektron geçmektedir ve bu,akım şiddetinin I=n.v.e büyüklüğünde olduğu anlamına gelir.Öte yandan,iletkenin dL diferansiyel uzunluğunun tümünde,her an için dL.n=dL.I/(v.e) tane elektron vardır.Mıknatısın manyetik alanı Bm’nin ,bu elektronların tümü üzerinde etki ettirdiği kuvvetin büyüklüğü, dF ((I/v.e).dL)evxBm=-I.dL.(v/v)xBm kadardır.Sarımın herhangi bir noktasındaki elektronların hızı v,hem sarıma o noktada teğet,yani dL doğrultusunda ve hem akıma ters yönde olduğundan; -v/v, hem o noktada sarıma teğet,yani dL doğrultusunda ve hem de akım yönünde bir birim vektör oluşturur.Dolayısıyla, dL=dl.(-v/v), alınan noktada sarıma teğet ve akım yönünde bir vektör olur.Ki bu durumda ;dF=I.dLxBm eşitliğini elde ederiz.Dolayısıyla,sarımın herhangi bir parçası üzerindeki kuvveti,o parça üzerindeki diferansiyel kuvvetlerin toplamı,yani bir integral olarak elde etmek mümkündür : F=ʃI.dLxBm.I ve Bm sabit olduklarından,integral  I.(ʃdL)xBm şeklinde basitleşir : Örneğin,sağ yada sol kenar üzerindeki dL’lerin hepsi aynı yönde ve sabit bir Bm’ye dik olduklarından ; ʃdL bize x uzunluğunu verir.O halde,şekilde mavi oklarla gösterilen kuvvetler,F=I.x.Bm büyüklüğünde olup zıt yönlüdürler.Bu iki kuvvet,aynı doğru üzerinde olmadıklarından,sarım üzerinde bir ‘’kuvvet çifti’’oluşturur.Sarıma uyguladıkları tork, T=F.y.sinα=(I.x.bm).y.sinωt kadardır.Burada, x.y ,sarımın yüzey alanı A’ya eşit olduğundan, T=I.A.Bm.sinωt’dir. Oysa,sarımın ön ve arka kenarları  üzerindeki kuvvetler,keza zıt yönlü olmakla beraber,aynı doğru üzerinde olduklarından,bobini kasmaktan başk  bir sonuca yol açmazlar.Bobin ω açısal hızıyla dönmekte olduğuna göre , T torku tarafından bobin üzerine W=ω.T=ω.I.A.Bm.sinωt=-I.dφ/dt hızıyla iş yapmaktadır ve bunun için gereken enerji türbin tarafından sağlanmak zorundadır.Dikkat edilecek olursa,tek sarım için ɛ=-dφ/dt olduğundan W=ω.T aynı zamanda , I.ɛ’ye eşittir.Olması gerektiği gibi.Çünkü bu son ifade;türbin tarafından bobin üzerinde yapılan mekanik işin (W),bobinden çekilen elektrik gücüne (P) eşit olması gerektiği anlamına geliyor.