Mühendislik Notları

 

     En yaygın olarak bilinen ve kullanılan manyetik alan üretme kaynaklarından biri Helmholtz bobinleridir. İstenilen frekansta (0 Hz DC’den MHz’lere) manyetik alan oluşturabilme özellikleri sayesinde birçok test uygulamasında kullanılan bu bobinler ile yapılmak istenen test ve ölçüm uygulaması için gerekli frekanstaki düzgün manyetik alanlar sağlanabilir. 18. YY sonlarına doğru icat edilen ve uzun yıllar boyunca bilim dünyasında kullanılan bu bobinler, geçen yıllar içerisinde gelişimler göstermiş ve günümüzde  tıp, fizik gibi birçok alanda popülerliğini devam ettirmektedir.  Aşağıdaki gelişim süreci tablosunda, Helmholtz bobinlerinin icadından 2000'li yılların başına kadar geçen zaman dilimindeki önemli gelişim aşamaları vurgulanmıştır. Kaynakça: [1],[2],[3] Alsanğur, R.(2022).Design and implementation of a 3D Helmholtz coil system.Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi,İzmir.

                                                          Teorikte bir bobinin dirence ve kapasitansa sahip olmayacağı varsayılır. Ancak, pratikte bobinlerin sarımları arasında oluşan kapasitansları ve sarımlarından kaynaklı iç dirençleri vardır. Bobinin sargıları arasında oluşan bu kondansatörler, parazitik kapasitans olarak ifade edilir. Parazitik kapasitans, bobine paralel olarak bağlanmış bir kondansatör olarak modellenebilir.  İki elektrik iletkeni fiziksel olarak yakın olduğunda ve de aralarında bir gerilim potansiyeli bulunduğunda,bu iletkenler aralarında  sanal bir kapasitör (parazitik kapasitans) oluştururlar.      Parazitik kapasitans, bobinin çalışma frekans aralığını sınırlar bir başka deyişle self rezonans frekansını düşürür. Bu self rezonans frekansı ötesinde bobin indüktör özelliğini kaybeder ve kapasitör gibi davranır. Self rezonans frekansı için:  https://berkaykivanc.blogspot.com/2023/04/bobin-self-rezonans-frekans.html                                                

                                                         R yarıçapa sahip ve aralarında R kadar mesafe olacak şekilde yerleştirilen iki Helmholtz bobininin, ayrı ayrı oluşturdukları manyetik alanlar ve bobinlerin arasındaki bölgede oluşan toplam manyetik alan aşağıdaki görselde gösterilmiştir. Bu şekil üzerinde; mavi eğri birinci bobinin (𝐻1) oluşturduğu manyetik alanı, kırmızı eğri de ikinci bobinin (𝐻2) oluşturduğu manyetik alanı göstermektedir. Yeşil eğri ise, bu iki manyetik alanın birbirine eklenmesi sonucu elde edilen toplam manyetik alanı ifade etmektedir.      Bobinlerin oluşturduğu bu manyetik alanın büyüklüğü, SI biriminde Tesla (𝑇) veya CGS biriminde Gauss (𝐺) olarak ifade edilebilir. İki Helmholtz bobininin orta noktasındaki manyetik alanın büyüklüğünün bobinlere uygulanan akım (𝐼) ve bobinlerin sarım sayısı (𝑁) ile doğru orantılı, bobinlerin yarıçapı ile de ters orantılı olduğunu önceki bölümlerde incelemiştik. Benzer şekilde, bobinlerin arasına manyetik geçirgenliği

                             0-300 Hz aralığında frekansa sahip elektromanyetik alanlar Çok Düşük Frekanslı (Extremely Low Frequency, ) manyetik alanlar olarak adlandırılırlar. Avrupa ülkelerinde ve ülkemizde elektriğin iletim ve dağıtımı 50 Hz frekansında yapılmaktayken, Amerika Birleşik Devletleri ve Kanada gibi bazı ülkelerde ise 60 Hz kullanılmaktadır. Bu nedenle, bu düşük frekanslarda çalışan ve günlük hayatta kullandığımız elektrikli ev ve ofis cihazları da birer ELF manyetik alan kaynaklarıdır.     ' Dünyanın manyetik alanı yaklaşık 0.5 Gauss (50 μT) civarındadır. İnsan vücudunun da yerküre ile uyumlu bir manyetik alanı vardır ve yaklaşık olarak 0.7 Gauss –1 Gauss olarak ölçülmektedir. Yüksek elektromanyetik alanlar oluşturan elektrikli aletler bu uyumu bozabilmektedirler' [1] .      Yoğun bir şekilde maruz kaldığımız bu ELF manyetik alanların insan sağlığına olan etkileri oldukça merak edilmiş ve dünya genelinde önemli bir araştırma konusu olmuştur. Ülkemizde, bu ELF ma

                                                                Helmholtz b obinlerinin birbirlerine seri olarak bağlanarak üzerlerinden aynı yönde akım geçirilmesi (Şekil a), uniform manyetik alanın üretilmesi için önemli bir husustur. Seri bağlı bobinlerden, zıt yönde akım geçirilmesi durumunda ise gradyan manyetik alan üretilir. Bobinler uygun (optimal) bir mesafe ile aralıklı yerleştirildiğinde oluşan bu konfigürasyon, anti-Helmholtz veya (Maxwell) gradyan bobini (Şekil b) olarak adlandırılır. Bu anti- Helmholtz bobinleri,  atom fiziği deneyleri için magnetic trap'ler oluşturmak için kullanılır.      Kaynakça   Kıvanç, B. 2022. Yüksek Frekanslı Helmholtz Bobin Uygulamaları için Donanım Düzeneği Tasarımı. Yüksek Lisans Tezi. Ankara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.  

                                                                     Helmholtz bobinleri  istenilen büyüklükte manyetik alanların oluşturulmasının yanı sıra  Dünya'nın manyetik alanını sıfırlamak (manyetik alanların etkilerini minimize etmek) için de kullanılır. Helmholtz bobinleri Dünyanın manyetik alanı tamamen iptal edemese de sıfıra yakın bir manyetik alan sağlayarak hassas manyetik ölçümlerin yapılmasına olanak sağlarlar.       Dünyanın manyetik alanını sıfırlamak için, Helmholtz bobinleri kullanılarak yerel bir manyetik alan oluşturulur. Bu yerel manyetik alan, dünyanın manyetik alanı ile aynı şiddette ve zıt yönde oluşturulmalıdır. Böylece, bu iki manyetik alan birbirini etkisiz hale getirirek sıfıra yakın bir manyetik alan bölgesi oluşturulur.  

Daha önceki bölümlerde, Helmholtz bobin tasarım parametrelerini ayrı ayrı detaylı olarak incelemiştik. https://berkaykivanc.blogspot.com/2023/03/bobin-yarcapnn-manyetik-alan-ve.html https://berkaykivanc.blogspot.com/2023/03/bobin-sarm-saysnn-manyetik-alan-ve.html https://berkaykivanc.blogspot.com/2023/03/nuve-cinsinin-manyetik-alan-ve.html   Bu bölümde ise, özet bir tablo ile bu parametrelerin tasarıma etkisini görebiliriz. Parametreler Sonuçları Bobin Sayısı ⏫ Bobin sayısı arttıkça manyetik alanın gücü ve homojenliği artar. ⏫ Tek eksenli bobinler ile düzgün bir manyetik alan üretilebilir. ⏫ İki ve üç eksenli bobinler ile dönen düzgün bir manyetik alan üretilebilir. ⏬Bobin sayısının artmasıyla birlikte test düzeneğinin; maliyeti ve karmaşıklığı da artacaktır. Bobin Yarıçapı   ⏫ Helmholtz bobinleri ile yapılan bazı deneyler, bobinler arasındaki manyetik alan bölgesin

Yüksek frekanslı Helmholtz bobin düzeneği ile çalışmanın elektriksel açıdan bazı riskleri vardır.     Birçok yüksek frekanslı manyetik alan uygulamasında Helmholtz bobinleri ve rezonans kondansatörleri kV mertebesinde çok yüksek voltajlara sahip olabilir. Bu durum, bu düzenekle çalışmayı yapan araştırmacı için elektriksel açıdan büyük riskler yaratabilir. Bu risk faktörlerini ortadan kaldırmak veya azaltmak için alınması gereken bazı önlemler vardır: Düzenekte kullanılacak kondansatör ve bobinlerin oluşabilecek voltajlara dayanıklı olduğundan emin olunmalıdır. Hata payı da göz önüne alınarak oluşabilecek voltajdan çok daha yüksek voltajlara dayanabilecek kondansatörler ve bobinler tercih edilmelidir.  Seri rezonans metodu uygulandığında ve yeterli voltajlara dayanabilecek kondansatör bulunamadığı durumlarda kondansatörler seri bağlanılarak (rezonans değerini sabit tutacak şekilde) voltaj dayanıklılığı artırılabilir. Oluşturulan düzenekteki elektrik bağlantılarında kullanılan kabloların

 

              Helmholtz bobinlerini sürebilmek için kullanılan, doğrudan sürüş ve seri rezonans yöntemlerini önceki bölümlerde detaylı olarak incelemiştik. Doğrudan sürüş yöntemi, frekansın ve bobin endüktansının düşük olduğu uygulamalar için kullanılan basit bir yöntemdi. Seri rezonans metodu ise, frekansın yüksek olduğu ve bobin  endüktanslarının  yüksek olduğu durumlarda kullanılan bir yöntemdi.     Bu bölümde ise, internette araştırırken bulduğum ve oldukça kullanışlı görünen 'Akımla Güçlendirilmiş Rezonans Yöntemi' ne değineceğim. Özet olarak bu metot, kaynaktan gelen akımın Helmholtz bobinleri üzerinde iki katına çıkarılmasına olanak veren bir yöntemdir. Bu yöntemde, seri bağlanmış Helmholtz bobinlerine paralel olarak bir kapasitör bağlanır. Bu paralel rezonans devresine seri olarak da başka bir kapasitör bağlanır. Bu seri ve paralel bağlanmış kapasitörler eşit değerdedir. Bu yöntemin devre şeması aşağıda verilmiştir. Devrenin rezonans frekansının hesaplanması           R

Bir önceki bölümdeki tablolardan hareketle 5 kHz'de Helmholtz bobinlerini ve kondansatörleri rezonansa sokmak istediğimizde;  Bu frekansta  rezonans için gerekli olan kapasitans değerini 10.67 nF olarak ölçmüştük. Ancak gerekli olan kapasitans değerinin yanında rezonans durumundaki kondansatörün, Helmholtz bobinleri ile eşit voltaja sahip olacağı da göz önünde bulundurulmalıdır. Bu durum tedarik edilmesi gereken kondansatörlerin yüksek voltaj dayanklılığına sahip olması gerektiği anlamına gelmektedir. Yüksek voltaj dayanıklılığı olan kapasitörlerin fiyatları yüksek ve tedarik durumu genellikle yurtdışı siteler vasıtasıyla olmaktadır. 10.67 nF değerini yakalayabilmek veya en azından yaklaşabilmek için;   2 adet 4.7 nF 1 kV gerilime dayanıklı kondansatör tedarik edilmiş ve bunlar paralel bağlanarak bir kondansatör grubu oluşturulmuştur. Oluşan bu kondansatör grubu 1 kV gerilime dayanıklı ve 9.4 nF değerindedir. Bu kondansatör grubu bobin düzeneğine seri olarak bağlanmış ve 5.1 kHz

     Helmholtz bobinleri ile manyetik alan oluşturabilmek için bilinen üç temel yöntem vardır. Bunlar doğrudan sürüş yöntemi, seri rezonans yöntemi ve akımla güçlendirilmiş yeni rezonans yöntemidir [1]. Doğrudan sürüş metodunun yeterli olmadığı durumlarda ikinci yöntem olarak seri rezonans metodu uygulanabilmektedir.  Seri rezonans (LC) devreleri, kondansatör ve bobinin birbirine seri olarak bağlanmasıyla oluşan devrelerdir. Seri rezonans devrelerinde, düzeneğin çalışma frekansı seri rezonans frekansına yaklaştıkça devrenin toplam empedansı azalır ve azalan empedans neticesinde akımda artış görülür. Seri rezonans durumu, empedansın minimum akımın ise maksimum olduğu noktadır. Rezonans frekansında akım ve gerilim en yüksek değerini alır ve akım ile gerilim aynı fazdadır. Seri rezonans metodunda, Helmholtz bobinlerini rezonans durumuna getirmek için bobinlere seri olarak bir kondansatör veya kondansatör grubu bağlanır. Seri Rezonans methodunu önceki bölümlerde detaylı olarak görmüştük. B