Mühendislik Notları

Bir Helmholtz bobininin datasheet’ini doğru okumak, sistemi güvenli ve doğru şekilde kullanmanın ilk adımıdır. Akım değeri, manyetik alan şiddeti, güç sınırları ve fiziksel ölçüler gibi bilgiler doğru yorumlanmazsa hatalı sonuçlar ortaya çıkabilir. Bu nedenle teknik verileri anlamak, hem deneylerin doğruluğu hem de sistem güvenliği açısından büyük önem taşır. Bir önceki bölümde,  SCHWARZBECK  firmasına ait  HHS 5204-12  parça numaralı Helmholtz bobininin teknik veri sayfasını incelemiştik. Bu yayında ise, örnek bir inceleme yapmak amacıyla  SCHWARZBECK  firmasına ait  HHS 3D 5213-50  parça numaralı Helmholtz bobininin teknik veri sayfasını ele alacağım. Tablonun ilk kısmındaki değerler üç eksenin toplamını değil; herhangi bir eksenin tek başına ulaşabileceği veya tüm sistemin uyması gereken donanımsal limitleri gösterir: Frequency Range : [0 ... 20 kHz] Cihazın hem statik (DC - sabit alan) hem de düşük frekanslı (AC - değişken ...

  Bir Helmholtz bobininin datasheet’ini doğru okumak, sistemi güvenli ve doğru şekilde kullanmanın ilk adımıdır. Akım değeri, manyetik alan şiddeti, güç sınırları ve fiziksel ölçüler gibi bilgiler doğru yorumlanmazsa hatalı sonuçlar ortaya çıkabilir. Bu nedenle teknik verileri anlamak, hem deneylerin doğruluğu hem de sistem güvenliği açısından büyük önem taşır. Bu kapsamda, örnek bir inceleme yapmak amacıyla SCHWARZBECK firmasına ait HHS 5204-12 parça numaralı Helmholtz bobininin teknik veri sayfasını ele alacağım.                   Number of turns (per Coil): 12 Bu değer, sistemdeki her bir bobinin üzerine kaç tur kablo sarıldığını ifade eder. Helmholtz bobinlerinde sarım sayısı doğrudan endüktansı etkileyen en temel parametrelerden biridir. 12 sarım gibi düşük bir sayı, bobinin yüksek frekanslı çalışmalar için geniş bir bant genişliği sunacağını gösterir. Maximum Coil Current: 60 A , 5 min Bu değer, bobinin termal dayanım ...

 

     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 kapa...

                                                         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)...

                             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 old...

                                                                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...

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 kullanı...