Elektromanyetik İndüksiyon Nasıl Oluşur? Faraday ve Lenz Yasaları

Elektromanyetik indüksiyonun tanımı ve oluşma koşulları

Elektromanyetik indüksiyon, manyetik akının değişmesi sonucunda bir iletkende emk oluşmasıdır. Manyetik akı, bir yüzeyden geçen manyetik alan miktarını ifade eder. İletkenin bulunduğu bölgedeki manyetik alanın şiddeti veya yönü değişebilir; iletkenin alan içindeki konumu, yüzey alanı ya da alanla yaptığı açı değişebilir. Bu değişikliklerden herhangi biri akıyı değiştirirse iletkende indüklenen emk meydana gelir.

Oluşan emk, devredeki yükleri hareket ettirebilecek elektriksel etkidir. Ancak devre açık ise yüklerin dolaşabileceği sürekli bir yol bulunmadığından indüksiyon akımı gözlenmez. Örneğin bir çubuk mıknatıs bobine yaklaştırıldığında bobinden geçen manyetik akı değişir ve bobinin uçları arasında emk oluşur. Mıknatıs bobine göre hareketsiz kaldığında akı sabitlenir ve indüklenen emk ortadan kalkar.

İletken bir çubuğun manyetik alan içinde hareket ettirilmesi de akı değişimine ve dolayısıyla indüksiyona yol açabilir. Hareket ne kadar hızlıysa uygun koşullarda oluşan emk’nın büyüklüğü de o kadar artar; çubuk ve mıknatıs arasındaki göreli hareket yoksa bu yolla emk oluşmaz.

Manyetik akı ve akı değişiminin yolları

Manyetik akı, manyetik alanın bir yüzeyden geçen bileşenidir. Düzgün bir manyetik alan için manyetik akı, alan şiddeti B, yüzey alanı A ve manyetik alanın yüzeyin dik doğrultusuyla yaptığı θ açısı kullanılarak şöyle ifade edilir: Φ = B A cos θ. Buna göre akı; manyetik alan şiddeti değiştirilerek, yüzey alanı büyütülüp küçültülerek veya yüzeyin manyetik alana göre yönü değiştirilerek değiştirilebilir.

Manyetik akının yönü, seçilen yüzey normaline göre belirlenir; bu nedenle işareti seçilen yönlendirmeye bağlıdır. İndüksiyon açısından önemli olan, akının sabit bir değere sahip olması değil zamanla değişmesidir. Örneğin bobin sabit dururken mıknatısın yaklaştırılması B’yi, bobinin döndürülmesi ise θ’yı değiştirerek akı değişimi oluşturur.

İndüklenen emk ile indüksiyon akımı arasındaki fark

İndüklenen emk, manyetik akı değişiminin iletkende oluşturduğu gerilimdir. Akı değiştiği anda, devrenin açık veya kapalı olmasından bağımsız olarak emk oluşabilir. İndüksiyon akımı ise bu emk’nın kapalı bir devrede yükleri hareket ettirmesiyle ortaya çıkar. Bu nedenle açık bir bobinin uçları arasında voltmetreyle gerilim ölçülebilirken devreden sürekli akım geçmez.

Örneğin mıknatıs bobine yaklaştırılırken bobinde emk oluşur. Bobinin uçları birbirine bağlıysa bu emk devrede akım oluşturur ve galvanometre sapar; uçlar ayrık kalırsa akım oluşmaz. Mıknatısın hareketi durduğunda manyetik akı değişmediği için hem indüklenen emk hem de buna bağlı indüksiyon akımı sona erer. Özindüksiyon ve karşı emk, bir devrenin kendi akım değişimiyle oluşturduğu farklı bir indüksiyon konusudur; karşılıklı indüksiyon ve transformatörler ise iki devre arasındaki indüksiyonu ele alır.

Faraday indüksiyon yasası

Faraday indüksiyon yasası, indüklenen emk’nın manyetik akının değişim hızına bağlı olduğunu söyler. Bir bobinden geçen akı kısa sürede büyük miktarda değişirse emk büyük olur; aynı akı değişimi daha uzun sürede gerçekleşirse emk daha küçük olur. Sarım sayısı N olan bir bobin için ortalama indüklenen emk’nın büyüklüğü şu bağıntıyla verilir:

ε = -N ΔΦ/Δt

Buradaki ΔΦ akıdaki değişimi, Δt bu değişimin gerçekleştiği zamanı gösterir. Eksi işareti yön bilgisini içerir ve Lenz yasasıyla açıklanır; emk, akı değişimine karşı koyacak yöndedir. Büyüklük sorularında çoğu zaman işaretin yön bilgisi bir yana bırakılarak |ε| = N |ΔΦ|/Δt kullanılır.

Örneğin bir bobinin içinden geçen manyetik akı 0,2 saniyede değişiyorsa, aynı akı değişiminin 0,1 saniyede gerçekleştiği duruma göre indüklenen emk daha büyüktür. Bobinin sarım sayısı da iki katına çıkarılırsa, diğer koşullar aynı kaldığında her sarımda oluşan emk’ların toplamı arttığı için bobinin toplam emk’sı iki katına çıkar. Jeneratörlerde bobinin manyetik alan içinde döndürülmesi, akının sürekli değişmesini sağlar; mekanik iş böylece elektrik enerjisine dönüştürülür.

Lenz yasası ve indüksiyon akımının yönü

Lenz yasasına göre indüklenen emk ve kapalı devredeki indüksiyon akımı, kendisini oluşturan manyetik akı değişimine karşı koyacak yönde oluşur. Buradaki karşı koyma, dış manyetik alanı tamamen yok etmek anlamına gelmez. İndüklenen akımın oluşturduğu manyetik alan, akının artışını azaltmaya veya akının azalışını desteklemeye çalışır.

Yön belirlemek için önce dış manyetik akının artıp azaldığı saptanır. Bobine doğru bir mıknatısın kuzey kutbu yaklaştırılıyorsa bobinden geçen akı artar. Bobinin mıknatısa bakan yüzü kuzey kutbu gibi davranacak şekilde akım oluşur; böylece yaklaşan kuzey kutbunu iter ve akı artışına karşı koyar. Mıknatıs bobinden uzaklaştırılırsa akı azalır. Bu kez bobinin mıknatısa bakan yüzü güney kutbu gibi davranarak mıknatısı çekmeye çalışır ve azalan akıyı destekler.

Bobinin hangi yönde akım taşıdığını bulmak için sağ el kuralı kullanılabilir: Parmaklar akımın dolanım yönünü gösterdiğinde başparmak bobinin oluşturduğu manyetik alanın, dolayısıyla bobin yüzünün kuzey yönünü gösterir. Böylece önce Lenz yasasıyla bobinin hangi kutup gibi davranacağı, ardından sağ el kuralıyla akımın yönü belirlenir. Mıknatısın hareket yönü ters çevrilirse akı değişiminin yönü de tersine döner ve indüksiyon akımının yönü değişir.

İndüklenen emk’nın büyüklüğünü etkileyen temel değişkenler

İndüklenen emk’nın büyüklüğünü belirleyen temel unsur manyetik akının ne kadar hızlı değiştiğidir. Manyetik alan şiddeti B artırılırsa, yüzey alanı A büyütülürse veya yüzeyin manyetik alana göre açısı değiştirilirse akı değişimi daha büyük olabilir. Bu değişim daha kısa sürede gerçekleştiğinde emk da büyür. Faraday yasasındaki N sarım sayısı arttıkça, aynı akı değişimi her sarımda oluşan emk’ların toplamına daha fazla katkı yaptığı için toplam emk artar.

Mıknatıs ile bobin arasındaki göreli hareketin hızı da özellikle hareketten kaynaklanan indüksiyonda önemlidir. Mıknatıs bobine hızlı yaklaştırılırsa akı daha kısa sürede değişir ve emk büyür; yavaş hareket ettirilirse emk daha küçük olur. Mıknatıs bobine göre sabit kaldığında akı değişmediği için indüklenen emk sıfırdır. Bu nedenle sorularda yalnızca alanın veya mıknatısın büyük olması değil, akının değişip değişmediği ve bu değişimin hangi sürede gerçekleştiği incelenmelidir.