Öz İndüksiyon Akımı Nedir?
Öz indüksiyon akımı, elektrik devrelerinde meydana gelen önemli bir fenomeni tanımlar. İndüksiyon, bir akım taşıyan iletkenin etrafındaki manyetik alanın değişmesi sonucunda, o iletkenin içinde elektrik akımı oluşturulmasıdır. Öz indüksiyon ise, bu manyetik alan değişikliğinin aynı iletken içinde gerçekleşmesi durumunu ifade eder.
Bir devrede akımın yönü aniden değiştiğinde veya devredeki manyetik alanın şiddeti aniden arttığında, devre içinde kendine özgü bir indüksiyon akımı oluşur. Bu indüksiyon akımı, değişen manyetik alan tarafından devredeki iletkenlerin içinde üretilir.
Öz indüksiyon akımı, elektromanyetizma ve devre teorisi gibi fizik disiplinlerinde önemli bir yer tutar ve manyetik alanın elektrik akımına etkilerini inceler. Bu akım, Faraday’ın elektromanyetik indüksiyon yasasına dayanarak, elektromanyetik alan ile elektrik akımındaki değişiklikler arasındaki ilişkiyi açıklar.
Bataryalar ve diğer enerji kaynaklarının oluşturduğu elektromotor kuvvetler (emk) ile değişen manyetik alanların indüklediği akımlar arasında bir ayrım yapılması gerekmektedir. “Kaynak” terimi (emk kaynağı ve akım kaynağı ifadelerinde olduğu gibi), bir fiziksel kaynağa eşlik eden parametreleri tanımlamak için kullanılırken, “indüklenmiş” sıfatı ise, değişen bir manyetik alanın sebep olduğu emk ve akımlar için kullanılmaktadır.
Devre Örneği
Şekil 1‘de gösterilen bir devrede, anahtar, direnç ve emk kaynağından oluşan yalıtılmış bir sistem düşünelim. Anahtar kapatıldığında, akım hemen sıfırdan maksimum değerine (yani ε/R’ye) yükselmez. Faraday’ın elektromanyetik indüksiyon yasası bu durumu açıklamak için aşağıdaki gibi ifade edilebilir: Akım zamanla arttıkça, bu akımdan kaynaklanan ve halkadan geçen manyetik akı da artar. Artan manyetik akı, devrede bir emk indükler. Bu indüklenen emk, halkada indüklenmiş bir akıma yol açacak şekilde yönlenir (eğer halkada önceden bir akım akmıyorsa); oluşan bu akım, kaynak manyetik alandaki değişikliğe karşı koyacak yönde bir manyetik alan oluşturur. Böylece indüklenen emk’nin yönü, kaynağın emk’sinin yönünün tersine olur. Bu durum, devreden geçen değişen akımın ve ortaya çıkan indüklenmiş emk’nin devrenin kendisinden kaynaklandığı için öz indüksiyon olarak adlandırılır. Ortaya çıkan εL emk, öz indüksiyon emk’si olarak bilinir ve genellikle zıt emk olarak da adlandırılır.
Bobinlerde Öz İndüksiyon
Şekil 2 (a, b, c) örneğinde, silindirik bir demirin etrafına sarılı bir bobin ele alındığında; (a) Bobindeki akım, sola doğru yönelen bir manyetik alan meydana getirir. (b) Bu akım arttığında, artan manyetik akı, kutuplu bir emk indükler. (c) Akım azaldığında, indüklenen emk ters yönde olur.
Öz indüksiyonun bir diğer örneği ise bobin etrafına sarılmış bir demir silindiri gösterir. Bobindeki kaynak akımının zamanla arttığı veya azaldığı varsayıldığında, bobin içinde sağdan sola doğru yönelen manyetik akı değişir ve buna bağlı olarak bir emk indüklenir. Lenz yasasına göre, bu indüklenen emk’nin kutupları, kaynak akımından ileri gelen manyetik alanın değişimine karşı koyacak yönde olmalıdır; eğer kaynak akımı azalmışsa, indüklenen emk’nin kutupları ters yönde olacaktır.
Öz İndüksiyonun Nicel Tanımı
Öz indüksiyonun nicel bir tanımını vermek için, indüksiyon emk’sinin manyetik akının zamana göre değişim hızının negatifi olduğunu Faraday yasasından hatırlamak önemlidir. Manyetik akı, kaynak akımından kaynaklanan manyetik alanla orantılı olup, dolayısıyla devredeki kaynak akımla da ilişkilidir. Bu nedenle, öz indüksiyon emk’si daima akımın zamana göre değişim hızıyla orantılıdır.
Belli bir geometriye sahip (örneğin, toroid şeklinde bobin veya ideal solenoid) N sarımlı bir bobin için, aşağıdaki eşitlik tanımlanır:
Eşitlik 1: L = f(geometrik özellikler, fiziksel karakteristikler)
Buradaki L, devrenin geometrik özelliklerine ve diğer fiziksel karakteristiklerine bağlı olan bir orantı sabitidir. N sarım içeren bir bobinin indüktansı ise şu şekilde ifade edilir:
Eşitlik 2: L = k * N^2
Burada her sarımdan aynı akının geçtiği varsayılmaktadır. Ayrıca, bu denklemi belirli devre geometrilerinin indüktansını hesaplamak için kullanacağız.
Eşitlik 1’den, indüktansı şu şekilde de yazabiliriz:
Eşitlik 3: L = R/I
Burada R, akıma karşı gelmenin bir ölçüsüdür. İndüktans, akımdaki değişime karşı koymanın bir ölçüsü olarak değerlendirilir. İndüktansın SI birimi henri (H) olup, Eşitlik 3’e göre 1 volt-s/ampere eşit olduğu görülmektedir:
1 H = 1 V·s/A
Bir aygıtın indüktansının kendi geometrisine bağlı olması, bir kondansatörün sığasının plakalarının geometrisine bağlı olmasına benzemektedir. Karmaşık geometriler için indüktans hesaplamalarını gerçekleştirmek oldukça zordur.