Akım Makarası Nasıl Manyetik Alan Oluşturur ve Elektromıknatıs Nasıl Çalışır?

Akım makarasının tanımı ve temel yapısı

Akım makarası, iletken bir telin silindir çevresine çok sayıda halka veya sarım oluşturacak şekilde sarılmasıyla meydana gelir. Uzun ve çok sarımlı bu yapıya fiziksel olarak solenoid de denir. Telin her bir halkasından elektrik akımı geçtiğinde, o halkanın çevresinde bir manyetik alan oluşur. Akım makarasının temel görevi, tek bir telin oluşturduğu manyetik etkiyi çok sayıda sarımın katkısıyla aynı düzenek içinde toplamaktır.

Makaradaki sarımların yönü ve telden geçen akımın yönü birlikte çalışır. Her sarım küçük bir manyetik alan meydana getirir; sarımlar uygun biçimde art arda dizildiğinde bu alanların özellikle makaranın içindeki katkıları birbirini destekler. Böylece makaranın iç bölgesinde daha belirgin, düzenli ve güçlü bir manyetik etki ortaya çıkar. Akımın yönü ters çevrilirse her sarımın oluşturduğu alanın yönü de tersine döner.

Örneğin yalıtılmış bir tel, bir kalem veya silindir çevresine birçok kez sarılıp bir pil devresine bağlanırsa akım makarası oluşturulabilir. Bu deneyde devre yalnızca kısa süreler için kapalı tutulmalıdır: direnci küçük tel pili kısa devreye yakın biçimde zorlar, tel ve pil kısa sürede ısınır. Prizdeki şebeke elektriği kesinlikle kullanılmamalıdır. Devre kapatıldığında tel halkalarının her biri manyetik alan üretir; devre açıldığında ise akım kesildiği için bu düzenekteki akıma bağlı manyetik etki sona erer.

Akım makarasının oluşturduğu manyetik alan ve alanın yönü

Akım makarasının manyetik alanı, tek tek sarımların oluşturduğu alanların birleşmesiyle meydana gelir. Uzun bir makarada alan, özellikle iç bölgede yön ve büyüklük bakımından yaklaşık olarak düzgündür. Makaranın dışındaki alan daha karmaşık bir dağılıma sahiptir ve sarımlardan uzaklaştıkça zayıflar. Bu nedenle akım makarası, manyetik alanı büyük ölçüde kendi iç bölgesinde yoğunlaştıran bir düzenek gibi düşünülebilir.

Sarım sayısı arttığında aynı uzunluk boyunca daha fazla tel halkası bulunur ve her halkanın alanı toplam alana katkı yapar. Bu katkılar aynı yönde olduğunda makaranın içindeki alan güçlenir. Örneğin bir makarada sarım sayısı azaltılırsa, diğer koşulların aynı kaldığı bir durumda makaranın içindeki manyetik alan da azalır. Alan çizgileri makaranın içinde daha sık ve düzenli, dışında ise daha seyrek ve karmaşık gösterilir.

Manyetik alanın yönü sağ el kuralıyla bulunabilir: Sağ elin parmakları sarımlardaki akım yönünü gösterecek biçimde kıvrıldığında başparmak makaranın içindeki alanın ve kuzey kutbunun yönünü gösterir. Makaranın bir ucundan bakıldığında akım saat yönünün tersine dolaşıyorsa o uç kuzey kutbu, saat yönünde dolaşıyorsa güney kutbu olarak belirlenir. Akımın yönü değiştirilirse kuzey ve güney kutupları yer değiştirir. Makaranın iki ucunda zıt kutupların bulunması, akım makarasının çubuk mıknatıs benzeri davranmasını açıklar.

Elektromıknatısın oluşumu ve çalışma prensibi

Elektromıknatıs, elektrik akımının oluşturduğu manyetik alan kullanılarak meydana getirilen geçici bir mıknatıstır. Akım makarasının içine demir gibi ferromanyetik bir malzeme yerleştirildiğinde makaranın alanı çekirdeğin içindeki manyetik bölgeleri aynı doğrultuda hizalamaya yardımcı olur. Bu hizalanma, çekirdeğin de mıknatıs gibi davranmasına ve makaranın oluşturduğu manyetik etkinin güçlenmesine yol açar.

Ferromanyetik maddelerin içinde, küçük mıknatıslar gibi davranan manyetik bölgeler bulunur. Dışarıdan uygulanan manyetik alan bu bölgelerin önemli bir bölümünü aynı yöne yönlendirdiğinde çekirdek mıknatıslanır. Çekirdeğin kutupları, akım makarasının kutuplarıyla aynı düzene göre oluşur; yani makaranın kuzey ucuna karşılık çekirdekte de kuzey, güney ucuna karşılık güney kutbu bulunur. Çekirdek için yumuşak demir kullanılır; akım kesildiğinde yumuşak demirdeki hizalanmanın büyük bölümü ortadan kalktığı için elektromıknatısın etkisi açılıp kapatılabilir. Çelik bir çekirdek ise akım kesildikten sonra da mıknatıslığını büyük ölçüde korur ve kalıcı mıknatısa dönüşür.

Örneğin tel sarımlarının içine demir bir çubuk yerleştirilip devre bir pille tamamlanırsa çubuk, makaranın alanıyla birlikte mıknatıslanır. Devre kapalıyken demir çubuk demir parçalarını çekebilir; devre açıldığında çekme etkisi büyük ölçüde azalır. Akımın yönü ters çevrildiğinde elektromıknatısın kuzey ve güney kutupları da değişir. Bu özellik, sabit kutuplu bir mıknatıstan farklı olarak elektromıknatısın açılıp kapatılmasını ve kutuplarının değiştirilmesini sağlar.

Elektromıknatısın gücünü etkileyen temel etkenler

Elektromıknatısın gücü öncelikle sarım sayısına, telden geçen akımın şiddetine ve çekirdek kullanılıp kullanılmamasına bağlıdır. Sarım sayısı arttıkça aynı yönde katkı yapan manyetik alanların toplamı artar. Akım şiddeti arttığında da her sarımın oluşturduğu manyetik etki güçlenir. Bu yüzden daha çok sarımlı ve daha büyük akım taşıyan bir makara, diğer koşullar uygun olduğunda daha güçlü bir alan oluşturur.

Makaranın içine demir gibi ferromanyetik bir çekirdek yerleştirilmesi de alanı güçlendirir; çünkü çekirdeğin manyetik bölgeleri dış alanla hizalanarak makaranın alanını destekler. Ancak akım sınırsız biçimde artırılamaz. Telin elektriksel direnci nedeniyle fazla akım ısınmaya, hatta telin zarar görmesine yol açabilir. Bu nedenle güçlü elektromıknatıs tasarlanırken sarım sayısı, akım ve çekirdek birlikte değerlendirilir.

Elektromıknatısın temel kullanım alanları

Elektromıknatıslar elektrikli zillerde hareketli parçaları çalıştırmak, rölelerde bir devrenin açılıp kapanmasını kontrol etmek ve hurda kaldırma mıknatıslarında ağır demir parçalarını taşımak için kullanılır. Hurda kaldırma düzeneğinde akım verildiğinde elektromıknatıs demir ve çelik parçaları çeker, akım kesildiğinde parçaları bırakır. Elektrikli zilde akım geçince elektromıknatıs demir bir paleti çeker ve palete bağlı tokmak zile vurur; palet hareket edince devre açılır, mıknatıs etkisi kaybolur ve yay paleti geri çeker. Devre yeniden kapanır ve bu döngü sürdükçe zil çalar. Rölede ise küçük akımlı bir devredeki elektromıknatıs bir demir paleti çekerek büyük akımlı ikinci bir devrenin kontaklarını kapatır veya açar.