Elektrik motorunun sırrı manyetik alanda

Hızlı trenlerden oyuncağa, elektikli ev aletlerine kadar büyük küçük pek çok aygıt ve aracın temel direği olan elektrik motorları hareketi hemen başlatacak yüzde yüz kapasiteyle çalışıyorlar. Bunların sırrı, çekme ve itme kuvvetleri yaratan manyetik alanlardan kaynaklanıyor.

Fransız fizikçi Louis-Marie Ampere bakır telin ilettiği elektrik akımının yakın bir yere yerleştirilmiş pusulanın mıknatısının yönünü değiştirdiğini gözlemleseydi elektrik motorunun mucidi olabilirdi. Fransız fizikçi 1820 yılında mıknatısı çevreleyenkilere benzer manyetik alan hatları belirledi. Bu gözlemini doğrulamak için de nal şeklindeki bir mıknatısın kutupları arasına bakır bir tel yerleştirerek bir deney gerçekleştirdi. Deney sırasında pilden yayılan akımın teli yerinden oynattığı saptandı. İşte elektrkli motorun ilkesi buna dayanıyordu ama o yıllarda hiç kimse bu deneyin sağlayacağı yarardan haberdar değildi.

Dinamo motor oldu!

Ancak bu deneyin üzerinden çok fazla zaman geçmeden 1823 yılında İngiliz fizikçi Peter Barlow elektik akımının geçmesiyle rotasyon hareketini yaratacak ilk cihazı ortaya koydu. ‘Barlow tekerleği’ olarak adlandırılan bu öncü motor Ampere’in gözlemlerine dayanıyordu.

Nal şeklindeki bir mıknatısın kolları arasına poyranın bir temas noktasına bağlı olduğu bakır bir disk yerleştirilirken mıknatısın çevresi ise ikinci bir temas alanı yaratan cıvanın yüzeyine dokundu. Elektrik akımı diskten geçtiğinde ortaya çıkan kuvvet rotasyona yol açtı. Fakat bu kuvvet fazla etkili olmadığından motor sadece laboratuvar deneyleriyle sınırlı kaldı.

Ancak Fransız mühendis Hippolyte Fontaine 1873’te Viyana’da Elektrik Sergisi’nde çağın en güçlü dinamolarından birini sergilediğinde her şey değişti. Fontaine arıza olabileceği kaygısıyla iki motor getirip bunlardan birini yedek olarak sakladı. Denemelerin ardından ise işçilerin dalgınlığı sonucu iki makine birbirine bağlı kaldı. Fontaine buhar motorunun harekete geçirdiği ilk jeneratörü çalıştırdığında kurtarma jeneratörünün de çalıştığını görüp hayret etti.

Böylece dinamonun sürekli akım verildiğinde motora dönüşebileceğini keşfetti. Tesadüflere dayanan bu keşif o tarihten itibaren endüstriyel olanakların da yolunu açmış oldu. Böylece ‘gerçek’ elektrik motoru doğdu.

Aslında Fontaine’den otuz yıl önce Rus mühendis Morizt Hermann Jacobi de böyle bir motor üretmişti; ancak onun motoru saatte 7 km’lik hızıyla sadece Neva üzerinde üç saatliğine bir şalopayı hareket ettirdiğinden hemen gözden düştü; üstelik motoru çalıştırmak için en az 128 pil gerekiyordu, bu pillerin yaydığı kükürtlü asit buharı ise cabasıydı.

Tüm bu motorlarda stator olarak adlandırılan manyetik alanla elektromıknatıslardan oluşan rotorun meydana getirilmesi için kalıcı bir mıknatıs vardır. Tümü de sürekli sağlanan akımla işler. Ancak elektrik şebekelerinin verdiği akım alternatiftir. Elektromıknatıs dönmeye başlamak için zaman bulamadan öteki tarafa yönelecektir. Bu sorunun çözümü ise hem sürekli hem de alternatif akımda işleyen evrensel bir motor üretimidir.

Bu çözüm hem basit hem de işlevsel bir ilkeye dayanmaktadır. Statorun kalıcı mıknatısının yerine rotor gibi sektöre bağlı elektromıknatıs konmuştur. Böylece stator ile rotorun manyetik alanları birlikte değişir, bunun sonucunda da yönleri akımdaki değişimlere göre farklılık göstermez. 1867 yılında birbirlerinden bağımsız olarak İngiliz Charels Wheatstone ve Alman Werner Siemens tarafından denenen bu buluş günümüzde matkapların, elektrikli süpürgelerin ve evlerde kullandığımız diğer elektrikli araç gereçlerin temel direğini oluşturuyor.

1. Pusula ilkesi geçerli

İki mıknatısın manyetik alanları birbirleri üzerinde etki oluşturduklarında itme ya da çekme kuvvetleri meydana gelir. Mıknatıslardan biri bir eksene bağlıysa kendi üzerinde yarım tur dönüp kutupların birbirlerine göre ters işaretli oldukları (kuzey-güney, kuzey-güney) sabit bir konuma ulaşır. Bu pusula ilkesidir.

2. Elektro-mıknatıs kalıcı mıknatısın yerini alır

Hareketli mıknatısın yerine elektromıknatıs yerleştirildiğinde fenomen aynıdır. Elektrik akımı buradan geçtiğinde ekseni etrafında döner, sonra durur. Pilin kutupsallığı tersine çevrildiğinde elektromıknatıs yeniden yarım bir tur yapar.

3. Kutupsallık otomatik olarak ters döner

Akım motorda, elektromıknatısa kolektör ya da kömürler aracılığıyla ulaşır. Bu kömürler, çekme ve itme fenomenlerinin rotasyonu düzenlemesi için akımın geçiş yönünü değiştirirler.

4. Üç elektromıknatıs ‘ölü nokta’yı yok eder

İstikrarlı konum sırasında elektrikle beslenmeyi kesmek için elektromıknatıslar eklenir: Ölü noktanın yok edilmesi için üç elektromıknatıs yeterlidir. Oyuncaklarda ya da küçük elektrikli ev aletlerinde bu sistem mevcuttur.

Kronoloji

1823: Barlow tekerleği Ampere’in üç yıl önce bulduğu yönteme dayanıyordu. Elektrik akımının manyetik alanıyla mıknatısın manyetik alanının etkileşimi tekerleğin dönmesini sağlıyordu.

1980: Fransız kuruluşu Alsthom’un TGV (hızlı tren) için geliştirdiği motor vagon katarlarını saatte 300 km’den daha yüksek bir hızla itmeyi hedefleyen aynı ilkeye dayanıyor.

2000: Henüz deneme aşamasında olan, çapı saç teli kalınlığındaki elektrik motorları özellikle biyomedikal uygulamalar için çok şey vaat ediyor.
Haberle ilgili daha fazlası: