Mühendislik Notları

                      Bobinin sarıldığı nüvenin cinsi, bobinin endüktansının belirlenmesindeki önemli parametrelerden biridir. Kullandığı nüvenin cinsine göre, birçok farklı türde bobin vardır. Bu türlerden birisi de hava nüveli (çekirdekli) bobinlerdir. Hava çekirdekli bobinler; plastik, ahşap gibi manyetik olmayan bir karkasa sarılmış bobinlerdir. Manyetik alan geçirgenliklerinin düşük olması sayesinde diğer bobinlere nazaran daha düşük endüktansa sahiptirler. Ayrıca, karkas kullanılmayan hava nüveli bobinler de olabilir. Düşük endüktansa sahip olmaları nedeniyle bu bobinler orta-yüksek frekanslarda kullanıma uygundurlar. Öte yandan nüve olarak demir, kobalt, nikel, çelik gibi malzemeler kullanılmış ferromanyetik çekirdekli bobinler yüksek manyetik geçirgenliğe sahip olduklarından endüktansları daha yüksek olacaktır. Bu nedenle, yüksek frekanslardaki kullanımlarda ferromanyetik çekirdekli (ferrit) bobinler yerine hava nüveli bobinler tercih edilebilir.           Helmholtz bobin endük

         Bobin yarıçapı, manyetik alan ve endüktans için önemli bir parametredir. Bobinin yarıçapını düşük tutmak endüktansın düşük olmasını sağlayacaktır. Düşük endüktans da SRF’nin (self rezonans frekansının) artmasına ve dolayısıyla bobinlerin çalışma frekans aralığının artmasına sebep olacaktır. Yine düşük endüktans sayesinde bobin üzerinde oluşabilecek voltaj da düşük tutulmuş olacaktır. Bu durum bobinin zarar görmesini engellemekle kalmayıp, test sırasında testi yapan araştırmacının da elektrik çarpma tehlikesinden korunmasını sağlayacaktır. Öte yandan, bobin yarıçapı oluşturulabilecek manyetik alan ile ters orantılı olduğundan bobin yarıçapı azaltılarak oluşturulacak bu manyetik alanın büyüklüğü artırılabilir. Tüm bu faktörler göz önüne alındığında yüksek frekanslarda kullanılacak bir bobinin yarıçapının düşük tutulması doğru bir tercih olacaktır. Kaynakça:  Kıvanç, B. 2022. Yüksek Frekanslı Helmholtz Bobin Uygulamaları için Donanım Düzeneği Tasarımı. Yüksek Lisans Tezi. Ankara

                    Helmholtz bobinleri ile oluşturulabilecek manyetik alan, bobinlerdeki sarım sayısı ile doğru orantılıdır. Yani, sarım sayısını artırmak daha yüksek bir manyetik alan ile sonuçlanacaktır. Bununla birlikte sarım sayısının artması, bobinin endüktansının ve parazitik kapasitansının da artışına neden olacaktır. Endüktansın artması, artan frekansın etkisiyle çok yüksek endüktif reaktanslara sebep olabilir. Orta ve yüksek frekanslarda çalışırken önemli bir sorun da artan empedans nedeniyle Helmholtz bobinleri üzerindeki voltajların çok yüksek seviyelere çıkabilmesidir. Bobinlerden akım geçtiğinde bobinler üzerinde oluşacak voltaj V=I.Z (Ohm kanunu) ile hesaplanabilir. Formülden görüleceği üzere, bobinlerde oluşacak voltaj empedansla doğru orantılı olarak artacaktır. Düşük olmayan frekanslar ile çalışacak bir Helmholtz düzeneğinde düzenekte kullanılan bobinlerin yüksek voltajlara dayanıklı olması gerekmektedir. Aksi durum bobinlerin zarar görmesine neden olacaktır. Bu dezav

       'Q katsayısı diğer adıyla kalite faktörü; salınımlar sırasında devrede biriktirilen enerji ile harcanan enerji arasındaki orana eşittir. ' [1]     Bir bobinin Q değeri, o bobinin kalite faktörüdür. Üstteki eşitlikte görüleceği üzere bu Q değeri; bobinin çalışma frekansındaki reaktansının, bobinin iç direncine oranı olarak hesaplanabilir. Bu durum Q faktörünün DC devrelerde kullanılan bobinlerde olmayacağı anlamına gelir. Yukarıdaki eşitlikten de görüleceği üzere Q faktörü 𝑂ℎ𝑚 / 𝑂ℎ𝑚 olduğundan birimsiz bir büyüklüktür ve kalite (Q) faktörünün yüksek olması, daha düşük kayıp anlamına gelmektedir. Bobin iç direnci ne kadar düşükse Q faktörünün o kadar büyük ve kaybın da o kadar az olacağı söylenebilir. Bobin endüktansı (𝐿) ve bobin iç direnci (𝑅) sabit olarak düşünüldüğünde, Q faktörünün frekansla doğrusal olarak artması beklenebilir. Bobinlerin sarımından kaynaklı deri etkisi (skin effect ) ve yakınlık etkisi (proximity effect) gibi parametreler iç direncin frekansla

Endüktif Reaktans Endüktif Reaktans, AC güç kaynağı tarafından enerji verilen bir bobinin üzerinde oluşan voltajın, bobinden geçen akıma oranı olup;  eşitliği ile hesaplanır.  Bu eşitlikte; 𝑓 bobine uygulanan akımın frekansını, L ise bobinin endüktansını ifade eder. Eşitlikten de görüleceği üzere; bir bobinin endüktif reaktansı, uygulanan frekansın artışı veya azalışı ile doğru orantılı olarak artar veya azalır. Endüktans Helmholtz bobinlerinin endüktans hesabı tıpkı diğer solenoid bobinler gibi; eşitliği ile hesaplanır. Bu formüldeki parametrelerden; L = bobin endüktansını (Henry), 𝐴 = nüvenin (bobin çekirdeğinin) kesit alanını (𝑚2), 𝑁 = bobin sarım sayısını, μ = nüvenin manyetik geçirgenliğini (H/m) L = nüvenin uzunluğunu (m) sembolize eder. Kaynakça:            Kıvanç, B. 2022. Yüksek Frekanslı Helmholtz Bobin Uygulamaları için Donanım Düzeneği Tasarımı. Yüksek Lisans Tezi. Ankara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara

IV- Helmholtz bobinlerinin cihaz kalibrasyonu için kullanımı Helmholtz bobinleri; manyetometrelerin, hall problarının ve manyetik sensörlerin kalibrasyonlarının yapılmasına olanak sağlarlar. Bu sebeple, birçok laboratuvarda Helmholtz bobinlerine ihtiyaç duyulur. Bu özellikleri nedeniyle ; “  Tübitak Ulusal Metroloji Enstitüsü bünyesinde kalibrasyon amaçlı kullanılan tek eksen ve üç eksen Helmholtz bobin sistemleri bulunmaktadır  “  [1 ] “ Boğaziçi Üniversitesi Kandilli Rasathanesi Ve Deprem Araştırma Enstitüsü, İstanbul Manyetik Rasathanesi bünyesinde manyetometrelerin kalibrasyonu için Helmholtz bobin sistemi kullanılmaktadır  “ .   [2 ] “ Roketsan Kalibrasyon Sistemleri bünyesinde de Gaussmetre kalibrasyonu için kullanılan bir Helmholtz sistemi vardır .  [ 3] Örneklerin çoğaltılması mümkündür. “ Kaynakça: [1 ]  Web Sitesi: https://www.ume.tubitak.gov.tr/tr/laboratuvarlarimiz/laboratuvar-altyapisi-1 [2 ]  Web Sitesi: http://www.koeri.boun.edu.tr/jeomanyetizma/donanim/ [ 3]  Web Sites

III- Helmholtz bobinlerinin fizik deneylerinde kullanımı        Fizik alanındaki bazı test uygulamaları için gerekli olan manyetik alanlar, Helmholtz bobinleri tarafından üretilerek, oluşturulan bu manyetik alanların etkisi altında elektronların davranışları incelenebilmektedir. Örneğin elektron yük/kütle (e/m) oranı, elektron demeti üzerine manyetik alan uygulanması sonucu elde edilen yörüngenin incelenmesi ile bulunabilir.              Helmholtz bobinleri ile sıfır Hz’den (DC) çok yüksek frekanslara kadar manyetik alan üretilebilirken öte yandan bu bobinler dünyanın manyetik alanını iptal edecek şekilde, manyetik alanların olmadığı bir ortamda deneyler yapılmasına da olanak sağlarlar. Helmholtz bobinleri ile Dünyanın manyetik alanının sıfırlanırken,  bobinlerin manyetik alanının dünyanın manyetik alanı ile aynı büyüklükte ancak zıt yönlü olması gerekmektedir. Böylece iki manyetik alan birbirini iptal ederek etkisiz hale getirirler. Kaynakça:           Kıvanç, B. 2022. Yüksek Frekans

II- Helmholtz bobinlerinin biyomedikal deneylerinde kullanımı            0-300 Hz aralığında frekansa sahip elektromanyetik alanlar Çok Düşük Frekanslı (Extremely Low Frequency, ELF) 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. Evlerimizde kullandığımız lambalar, televizyonlar, bilgisayarlar, beyaz eşyalar bu kaynaklara örnek olarak verilebilir.  Bu kaynakların meydana getirdiği manyetik alanların büyüklükleri cihazların çevresinde yüksek ölçülürken, cihazlardan uzaklaşıldığında azalmaktadır.          Günlük hayatımızda y oğun bir şekilde maruz kaldığımız bu ELF manyetik alanların insan sağlığına olan etkileri oldukça merak edilmiş ve dünya genelinde önemli bir araş

          Düzgün manyetik alan üretmek için kullanılan Helmholtz bobinlerinin bilim dünyasındaki kullanım alanları oldukça geniştir. İstenilen frekansta (0 Hz’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. Helmholtz bobinlerinin bilim dünyasındaki kullanım alanları; elektromanyetik girişim testleri, biyomedikal çalışmalar, fizik deneyleri ve cihaz kalibrasyonları olarak sıralanabilir. I-   Helmholtz bobinlerinin elektromanyetik girişim testlerinde kullanımı           Günümüzde elektronik cihazların kullanımının oldukça artması sebebiyle, kullanılan bu cihazların çevredeki diğer cihazlarda bozulmalara neden olması oldukça önemli bir problemdir. Bu nedenle elektronik cihazların, çevredeki diğer cihazlarla uyum içinde çalışabilecekleri şekilde tasarlanmaları ve çevredeki elektromanyetik alan üreten kaynaklardan etkil

  Helmholtz Bobinlerinin AC ve DC Akıma Karşı Tepkisi  DOĞRU AKIM           Bobinler, alternatif akım (AC) veya doğru akım (DC) kaynaklı elektronik devrelerinde kullanılabilirler. Doğru akım, zamanla yönü ve şiddeti değişmeyen akımdır. Zamana bağlı olarak yönü ve şiddeti değişen akım da alterne akım olarak ifade edilir.            Yönü ve şiddeti değişmeyen doğru akımın frekansı sıfırdır, alterne akımın frekansı ise kullanıldığı devreye göre çok düşük frekanslardan çok yüksek frekanslara kadar değer alabilir.            Bir bobine doğru akım uygulandığında endüktif bir akım meydana gelmez, sadece akım dolaşımına engel olan ve bobinin sarımından kaynaklı bir iç direnç meydana gelir. Doğru akım uygulandığındaki bu bobin iç direnci birçok hesaplamada dikkate alınmayacak kadar küçük olabilir. Öte yandan, bobin tellerinin sarımından kaynaklanan bu iç direnç çok sargılı bobinlerde yüksek değerlere ulaşabilir. Bu nedenle her bir bobin aşağıdaki şekilde görülebileceği üzere kendisine seri bağl

Helmholtz Bobinlerinin Çalışma Prensibi?          Tek eksenli dairesel Helmholtz bobin düzeneği, aynı merkez eksene sahip birbirlerine paralel (karşılıklı) olarak yerleştirilen iki eş Helmholtz bobinin seri bağlanmasıyla oluşturulan sistemdir. Bobinlerin seri olarak bağlanmasıyla, özdeş akımın her bir bobin üzerinden aynı yönde geçmesi ve iki bobinin özdeş manyetik alanlar oluşturması sağlanır. İki eş bobinin oluşturacağı manyetik alan özdeş olarak düşünülse de, aralarında bobinlerin tasarımından kaynaklı küçük farklılıklar olabileceğinden üretebilecekleri manyetik alanlarda da ufak farklılıklar gözlenebilir. Özellikle çok sarımlı bobinlerde, bobinlerin sarım şeklinden kaynaklı farklılıklar görülebilmektedir. Oluşan bu iki manyetik alan süperpozisyon (superposition) ilkesi ile ifade edilecek şekilde toplanarak bobinlerin arasındaki bölgede oluşacak toplam manyetik alan hesaplanır.           Bobinlerin birbirlerine seri olarak bağlanarak üzerlerinden aynı yönde akım geçirilmesi uniform

       En yaygın olarak bilinen ve kullanılan manyetik alan üretme kaynaklarından biri Helmholtz bobinleridir. 19. YY’da Alman fizyolog ve fizikçi Hermann Von Helmholtz (1821-1894) tarafından icat edilen ve düzgün (uniform) manyetik alan oluşturmak için kullanılan bu bobinler, daha sonraları literatürde Helmholtz bobinleri olarak anılmıştır. Helmholtz bobinleri farklı geometrilere sahip olabilirler. Bu bobinlerin bilinilirlik yönünden yaygın olanları daireseldir, ancak bazıları karesel de olabilir.     Helmholtz bobinleri sahip oldukları eksen sayısına göre sınıflandırılabilirler. Dairesel ve karesel bu Helmholtz bobinleri bir, iki veya üç eksenli olarak mevcuttur.  Bir eksenli  Helmholtz bobinleri x ekseni üzerinde karşılıklı 2 adet bobinden oluşur.  İki eksenli Helmholtz bobinleri x ve y düzlemlerinde karşılıklı ikişer bobinden, toplamda 4 adet bobinden oluşur. Üç eksenli Helmholtz bobinleri ise x-y-z düzlemlerinde karşılıklı ikişer, toplamda 6 adet bobinden oluşur.  Eksenlerin sayı