Endüktansın doyması nedir?

Elektrik mühendisliği ile ilgili bir çok kişinin mutlaka duyduğu bir kavramdır: “Endüktansın doyması”. Peki nedir bu? Nasıl gerçekleşir? Doyan tam olarak nedir?

Kısaca:

Ferromanyetik malzemenin içerisindeki manyetik domainlerin tamamının ya da çok büyük bir çoğunluğunun yönlenmesi sonucu manyetik malzemenin manyetik işlevini yerine getirememesidir. Böylece endüktans, içerisinde manyetik malzeme yokmuş gibi; yani hava hüveli bir endüktans gibi davranır. Bu endüktansın da değeri çok düştüğü için endüktansın akım sınırlama yeteneği ortadan kalkar. Doyan endüktansın elektrik devrelerindeki istenmeyen yönü budur, neredeyse kısa devre (bir tel parçası) gibi davranır.

Uzun uzun konuşursak:

Öncelikle fiziksel olarak endüktansın yapısına kısaca bakmamız lazım.

(Çok da uzun bir geçmişte 🙂 ) Önceki yazılardan birisinde endüktans için, bir devre elemanının enerjiyi manyetik alan olarak depolama yeteneğidir demiştik. Sıkça karşılaştığımız endüktanslar, bir nüve etrafına sarılı telden oluşur. Bu nüveler de manyetik geçirgenliği yüksek anlamına gelen ferromanyetik malzemelerden yapılır.

Ferromanyetik malzemeler aşağıdaki 2 resimdeki gibi manyetik parçacıklardan (magnetic domains) meydana gelir.

Resimlerdeki bu parçacıklar elektriksel olarak kutuplanmaya açıktır. Normalde alt resmin sağındaki gibi gelişigüzel yönlenmiş parçacıklar manyetik alan etkisi altında kalınca soldaki gibi kutuplanırlar.

İşte tam bu noktadan itibaren “doyma” kavramından bahsedebiliriz.

Adım adım gidelim:

Bir iletken içinden akım geçmeye başladığında Ampere Yasası’na göre etrafında bir manyetik alan oluşur. -pratik anlamda- Manyetik monopoller olmadığı için bu manyetik alan bir noktadan başlayıp kapalı bir çevrim oluşturacak şekilde aynı noktaya döner. Ve bu izlediği yolu da aynı elektrik devrelerinde olduğu gibi en küçük direnç gördüğü yolu kullanarak tamamlar. Buradaki direnç bildiğimiz direnç değil; manyetik direnç olan relüktanstır.

Manyetik direnç (relüktans) ise:

$latex R = \frac{l}{ \mu A} &s=4$

l: manyetik yolun uzunluğu, A: manyetik yolun kesit alanı, u: manyetik geçirgenlik.

Denklemden şunu anlıyoruz: manyetik direncin az olması için yolun en kısa; kesit alanının en büyük ve manyetik geçirgenliğin de en yüksek olması gerekiyor. Burada manyetik geçirgenlik için pratik bir değer verelim, vakumun manyetik geçirgenliği 1 kabul edilir (hava da bunun 1.00000037 katıdır). Ancak ferromanyetik malzemelerde bu değer havanın 1000 ile 100,000 katı arasında değişir. (tam tablo)

Yani manyetik alan her durumda devresini ferromanyetik malzeme içerisinden tamamlamak ister. Ancak uygulanan magnetomotif kuvvet malzemedeki domainlerin hepsini yönlendirdiğinde başka yönlenecek parçacık kalmaz ve bu noktada malzeme artık yokmuş gibi davranır. Manyetik geçirgenliği hava ile aynı olur.

Manyetik geçirgenlik hava ile aynı olduğunda ne olur? Manyetik direnç, yani relüktans artar.

Manyetik direncin artışından bize ne?

$latex L = \frac{N^2}{R} &s=4$

Yani doğrudan endüktans değerine etki eder.

Artan reluktans ile endüktans değeri düşer ve devremizde istemediğimiz değerlere iner. Devre içerisinde endüktansın frekans ile orantılı bir empedans oluşturduğunu biliyoruz. Önünde empedans göremeyen elektrik devresi de elinden geleni ardına koymadan akımı devrenin hoşuna gitmeyecek seviyelere çıkarır.

İşte bu yüzden endüktansımızda doyma olmasını istemeyiz.

Esen kalın!

---

[1] https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b4/NdFeB-Domains.jpg

[2] http://ej.iop.org/images/0022-3727/42/3/032006/Full/jphysd292798fig03.jpg