İletken bir metalin atomlarının son yörüngelerinde dörtten az sayıda elektron bulunur. Bu elektronlar atomlara zayıf bağlarla bağlıdırlar ve bunara serbest elektronlar denir. Metallerin iletkenliği bu serbest elektronların varlığı ile gerçekleşir. Bu iletkenlere gerilim uygulandığında elektronlar negatif kutuptan pozitif kutba doğru hareket ederek elektrik akımı oluştururlar. Oluşan bu elektrik akımı doğru akım ve alternatif akım olmak üzere iki şekilde olabilir.
Alternatif Akım Kavramı
Manyetik alan içinde ve sabit frekansta döndürülen dikdörtgen biçimli iletken tel çerçevedeki manyetik
akı düzenli olarak değişir. Manyetik akıdaki bu değişimden kaynaklanan akıma indüksiyon akımı veya
alternatif akım denir.
Dikdörtgen tel çerçevenin üzerinde oluşan indüksiyon akımının aşamalarına göre alternatif akım ve zaman grafiği şekilde verilmiştir. Bir periyotluk süre boyunca tel çerçevenin ilk yarım turu tamamlamasına
kadar geçen sürede çerçevede oluşan alternatif akım, 1 yönünde oluşurken ikinci yarım turu tamamlamasına kadar geçen sürede çerçevede oluşan alternatif akım, 2 yönünde oluşur.
Alternatif akım ve zaman grafiğine ait akım şiddetinin durumu aşağıda verilmiştir.
(I-t) grafiği ve (I-t) grafiğine ait akım şiddetinin durumu grafiğinden elde edilen sonuçlar aşağıda listelenmiştir.
- Dikdörtgen çerçevenin manyetik alan içinde döndürülmesi sürecinde oluşan alternatif akım, çerçevenin tur sayısı kadar yön değiştirir.
- Dikdörtgen çerçevenin her bir turunda çerçevede iki yönlü alternatif akım oluşur.
- Dikdörtgen çerçevede oluşan alternatif akım şiddeti, her bir periyotluk sürede iki kere en büyük değerine ulaşır.
Alternatif Akım ve Doğru Akımın Karşılaştırılması
Alternatif akım; kaynak makinelerinde, buzdolabı. çamaşır makinesi, fırın, elektrik ocakları gibi cihazlarda kullanılırken doğru akım; radyo, teyp, televizyon, elektrikli taşıtlar gibi alanlarda kullanılır. Evlerdeki elektrik ağında kullanılan akım alternatif akımdır. Fakat ev aletlerinin çoğu doğru akımla çalışabildiği için alternatif akımı doğru akıma çeviren sistemlere sahiptir. Cep telefonları, taşınabilir bilgisayarlar ve tabletler şarj edilebilir piller ile çalıştıklarından dolayı doğru akıma ihtiyaç duyarlar. Şarj adaptörlerinin görevi prizden gelen alternatif akımı doğru akıma çevirerek elektrik enerjisinin pilde depolanmasını sağlamaktır.
Alternatif akımın elde edilmesi doğru akımdan daha kolaydır. Ayrıca alternatif akımın doğru akıma çevrilmesinde enerji kaybı azdır ve maliyeti düşüktür. Fakt doğru akımın alternatif akıma dönüştürülmesi karmaşık sistemler gerektirdiğinden oldukça zordur ve enerji kaybı fazladır. Ek olarak alternatif akımın uzak mesafelere iletiminde doğru akıma oranla daha az kayıp olur ve alternatif akımın iletim maliyeti daha düşüktür.
Alternatif akımın üretim yöntemine bağlı olarak şiddeti anlık olarak değişmektedir ve iki yönlü akımdır. Alternatif akımın zamana bağlı şiddet grafiği aşağıdaki görselde verilmiştir. Grafiği inceleyecek olursak alternatif akımın iki defa maksimum değere ulaştığını ve iki defa sıfır olduğunu görürüz. Akımın ortalama değerine baktığımızda t sürede 0 olduğu gözlemlenir. Alternatif akımda ortalama değeri almak doğru olmaz bu nedenle akımın etkin değeri hesaplanır. Alternatif akımın etkin değeri hesaplanırken, öncelikle bir dirençten belirli bir zaman aralığında geçen alternatif akımın açığa çıkardığı ısı enerjisi bulunur ve aynı ısı enerjisini üreten doğru akım miktarı hesaplanır. Bulunan doğru akım değeri alternatif akımın etkin değeridir.
ifadesi ile belirlenir. Gerilimin etkin değeri bağıntısı ile ifade edilir.
Alternatif Akım Devreleri
Alternatif akım devrelerinde direnç, bobin ve sığaç devre elemanları kullanılır. Bobin ve ya akım makarası manyetik alanda geçici elektrik enerjisi depolama için kullanılırken sığaç aynı işlem için elektrik alanda kullanılır. Aşağıdaki görselde direnç(R), bobin(L) ve kondansatörün(C) alternatif akım uygulanmış devrede gösterimi verilmiştir.
Alternatif akım devrelerinde akım ve gerilim arasında gecikme vardır ve bu gecikme faz farkı ile ifade edilir. Sadece direnç bağlı devrelerde alternatif akım uygulanır ise bir faz farkı oluşmaz. Bu demektir ki akım ve gerilim aynı anda sıfır ve aynı anda maksimum değerine ulaşır. Fakat bobin ve sığaç bağlı alternatif akım devrelerinde faz farkı oluşur. Akım ve gerilim arasındaki faz farkı fazör diyagramı denilen vektörel gösterim ile ifade edilir.
Direnç Devreleri
Aşağıdaki görselde direnç devresi verilmiştir. Akım ve gerilim arasında faz farkı olmadığından Vm ve Im fazörleri aynı yönlüdür. Ayrıca saat yönünün tersi yönde açısal hızla döner.
Vm ve Im fazörlerinin düşey eksen üzerine iz düşümleri, direnç üzerindeki anlık gerilim(VR ) ve akım (IR) değerlerinin büyüklüğünü belirtir. Akım ve gerilimin aynı anda sıfır ve maksimum değere ulaştığı görülür. Alternatif uygulanan direnç devrelerinde direnç alternatif akımın frekans değişiminden etkilenmez.
Bobinli Devre
Bobin geometrik şeklinden kaynaklı olarak alternatif akımdaki değişime karşı koyar. Bobinin alternatif akımdaki değişime karşı koymasının ölçüsüne indüktans denir ve SI birimi Henry(H) ‘dir. Bobinin alternatif akıma karşı gösterdiği dirence indüktif reaktans(XL) denir. SI birimi ohm’dur ve €€X_L={\omega}_L dir.
Bobin devrelerinde gerilim fazörü ile akım fazöründen 90° öndedir. VM ve IL fazörleri açısal hız ile saatin tersi yönde dönmektedir.
Aşağıdaki grafiklerde alternatif uygulanmış bobin devresine ait (VR, IR-t) grafiği ve (V, I-t) fazör diyagramı verilmiştir. Bobinde oluşan gerilim (Vm) ve akımın (Im) anlık değerleri düşey eksen üzerindeki VL ve IL değerleri ile gösterilir. Bobinin direnci alternatif akımın frekansı ile doğru orantılıdır.
Kondansatörlü Devre
Kondansatör bulunan devreye alternatif akım uygulandığında alternatif akıma karşı kondansatörün gösterdiği dirence kapasitif reaktans denir. Xc ile gösterilir ve SI birimi ohm ‘dur. Verilen denklemde C kondansatörün sığası olup birimi farad’dır.
Kondansatör(sığaç) devresinde akım fazörü gerilim fazöründen 90° önde olduğundan fazörler arasında 90° açı vardır. Vm ve Im fazörleri açısal hız ile saatin tersi yönde dönmektedir.
Aşağıdaki grafiklerde alternatif akım uygulanmış bobin devresine ait (VR, IR-t) grafiği ve (V,I-t) fazör diyagramı verilmiştir. bobinde oluşan gerilim (Vm) ve akımın (Im) anlık değerleri düşey eksen üzerindeki Vc ve Ic değerleri ile ifade edilir. Kondansatörün direnci alternatif akımın frekansı ile ters orantılıdır.
Direnç, Bobin ve Sığaçlı Devre (RLC)
Direnç, bobin ve kondansatör gibi elemanların, çeşitli şekillerde bağlanması ile oluşturulan devrelere uygulanan alternatif akıma karşı oluşan dirence empedans denir. Z ile gösterilir ve birimi ohm ‘dur. Ohm yasasında yer alan R direnci yerine Z empedans değeri yazılarak alternatif akım devrelerinde Ogm Yasası kullanılabilir.
Aşağıdaki RLC devresi örneği verilmiştir. Devrede yer alan direnç, bobin ve sığaç fazör diyagramlarını dikkate alarak devre elemanlarının her birinin alternatif akıma karşı gösterdikleri direncin geometrik gösterimi aşağıda verilmiştir.
Direnç, bobin ve sığaç bağlı bir devreye alternatif akım uygulandığında direncin göstereceği zorluk, bobinin ve sığacın alternatif akıma karşı gösterecekleri zorluktan farklıdır. Alternatif akım devresinde devrenin indüktif reaktans değerinin kapasitif reaktans değerine eşit olduğu durumarezonans durumu denir.
Bir RLC devresi rezonans durumundayken XL = XC olacağından devrenin empedansı minimum olup Z = R olacaktır. RLC devresi rezonans durumunda iken devreden geçen akım maksimum değerde olur. Rezonans durumundaki devrede akıma karşı gösterilen zorluk sadece dirençten kaynaklanır. Her iletken, akıma karşı az da olsa bir direnç gösterir. İletkenin fiziksel özelliklerinden kaynaklanan saf direncine ohmik direnç denir. Bobin ve kondansatör alternatif akıma karşı iki farklı direnç etkisi gösterir. Bobin ve kondansatörden oluşan alternatif akım devresi rezonans durumunda iken indüktif ve kapasitif reaktans etkisi sıfır olsa da hem bobin hem de kondansatör akıma karşı ohmik bir direnç gösterir. Bobin ve kondansatörün yapıldığı maddenin fiziksel özelliklerine bağlı olan saf dirençlerine de ohmik direnç denir. Örneğin bobinin geometrik yapısından kaynaklanan direnç (indüktif reaktans, XL) iken bobinin yapıldığı iletken telden kaynaklanan direnci R’dir.
