Girdap Akımı Nedir? Eddy Current

Girdap akımı nedir? Literatürde Foucault akımları olarak da anılan, temelini Faraday’ın indüksiyon yasasından alan büyüleyici bir elektromanyetik olgudur.

Değişken bir manyetik alana maruz kalan iletken malzemelerin içerisinde, kapalı döngüler halinde oluşan çembersel elektrik akımlarıdır. Bu akımlar, kendilerini oluşturan manyetik alana dik düzlemlerde akar ve iletkenin iç yapısında adeta minik girdaplar meydana getirir.

Girdap akımlarının (Eddy current) oluşumu için iki temel senaryo mevcuttur:

1. Zamana Bağlı Değişen Manyetik Alan: Sabit duran bir iletken, alternatif akım (AC) ile çalışan bir elektromıknatıs veya transformatör gibi kaynakların ürettiği, zamanla değişen bir manyetik alana maruz kaldığında içerisinde girdap akımları (Eddy current) indüklenir.
   
2. Göreceli Hareket: Sabit bir mıknatıs ile iletken arasında göreceli bir hareket söz konusu olduğunda da girdap akımları (Eddy current) oluşur. Örneğin, bir mıknatısın iletken bir yüzeyin yakınında hareket ettirilmesi bu duruma bir örnektir.

Belirli bir kapalı döngü içerisinde oluşan girdap akımının (Eddy current) büyüklüğü çeşitli faktörlere bağlıdır:

• Manyetik Alanın Şiddeti: Manyetik alan ne kadar kuvvetliyse, indüklenen akım da o denli büyük olur.
• Döngünün Alanı: Akımın aktığı kapalı döngünün yüzey alanı arttıkça, akımın şiddeti de artar.
• Manyetik Akının Değişim Hızı: İletken içerisindeki manyetik akının zamana bağlı değişim oranı (hızı), akımın büyüklüğünü doğrudan etkiler; değişim ne kadar hızlıysa, akım o kadar şiddetlidir.
• Malzemenin Öz Direnci (Resistivity): Akımın aktığı iletken malzemenin elektriksel öz direnci arttıkça, girdap akımının (Eddy current) şiddeti ters orantılı olarak azalır.

Kavramın Kökeni ve Tarihsel Gelişimi | Girdap Akımı Nedir?

“Girdap akımı (Eddy current)” terimi, suyun içerisinde kürek çekerken oluşan girdaplara olan benzerliğinden türetilmiştir.

Kürek suyu yardığında oluşan yerel türbülanslar, kısa süreli ancak belirgin girdaplar yaratır. Benzer şekilde, iletkenin kendi endüktansı nedeniyle, girdap akımları (Eddy current) da anlık, geçici ancak etkili akım döngüleri oluşturur.

Girdap akımlarının (Eddy current) keşfi ve anlaşılması, on dokuzuncu yüzyılın önemli fizikçilerinin katkılarıyla gerçekleşmiştir:

• François Arago: Bir matematikçi, fizikçi, gökbilimci ve aynı zamanda Fransa Başbakanı olan Arago, “dönel manyetizma” olarak adlandırılan olguyu ve çoğu iletken cismin manyetize edilebildiğini gözlemleyen ilk kişidir. Bu gözlemler, girdap akımlarının (Eddy current) varlığına işaret eden ilk adımlardı.
  
• Michael Faraday: Arago’nun gözlemlerini temel alan ve elektromanyetik indüksiyon yasasını formüle eden Faraday, bu olguların bilimsel açıklamasını yaparak teorik zemini oluşturmuştur.
  
• Heinrich Lenz: Lenz Yasası‘nı ortaya koyarak, indüklenen akımın yönünün, kendisini oluşturan manyetik alan değişimine karşı koyacak yönde olduğunu belirtmiştir. Bu yasa, girdap akımlarının (Eddy current) doğasını anlamada kritik bir öneme sahiptir. Girdap akımları (Eddy current), Lenz Yasası gereği, dış manyetik alandaki değişime zıt yönde ikincil bir manyetik alan oluşturarak bu değişimi engellemeye çalışır.
  
• Léon Foucault: Girdap akımlarını (Eddy current) “resmi” olarak keşfettiği kabul edilen Fransız fizikçidir. Yaptığı deneylerde, bakır bir diski mıknatıs kutupları arasında döndürmenin, normalde gerekenden daha fazla kuvvet gerektirdiğini fark etmiştir. Dahası, disk döndükçe, içerisinde indüklenen girdap akımları (Eddy current) nedeniyle ısındığını da gözlemlemiştir. Bu nedenle bu akımlara “Foucault akımları” da denmektedir.
  
• David Edward Hughes: Girdap akımlarının (Eddy current) pratik bir uygulaması olan yıkıcı olmayan muayene (Non-Destructive Testing – NDT) alanındaki ilk kullanımı David E. Hughes tarafından gerçekleştirilmiştir. Hughes, bu prensibi metalürjik sınıflandırma testleri için kullanmıştır.

Girdap Akımlarının Nedir? Hangi Fiziksel Prensiplere Dayanır?

Faraday Yasası ve Lenz Yasası Perspektifi:

1. Değişen Akı: İletken plaka mıknatısın altından geçerken, plakanın farklı bölgelerinden geçen manyetik akı (manyetik alan çizgilerinin yoğunluğu) sürekli değişir.
   
2. EMK İndüksiyonu: Faraday’ın indüksiyon yasasına göre, manyetik akıdaki bu değişim, iletken içerisinde bir elektromotor kuvvet (EMK) indükler. Bu EMK, kapalı bir döngü oluşturabilen bölgelerde elektrik akımının akmasına neden olur.
   
3. Akım Yönü (Lenz Yasası): Lenz Yasası, indüklenen bu girdap akımlarının (Eddy current) yönünün, manyetik akı değişimine karşı koyacak şekilde olacağını belirtir.
   
   • Ön Kenar (Artan Akı): Mıknatısın altına giren plaka kısmında, plakadan aşağı doğru geçen manyetik akı artar. Bu artışa karşı koymak için, yukarı doğru bir manyetik alan oluşturacak şekilde saat yönünün tersine bir girdap akımı (Eddy current) indüklenir. Bu karşı alan, mıknatısın alanıyla zıt yönde olduğundan, plaka ile mıknatısın ön kenarı arasında itici bir kuvvet (yavaşlatıcı etki) oluşturur.
     
   • Arka Kenar (Azalan Akı): Mıknatısın altından çıkan plaka kısmında, plakadan aşağı doğru geçen manyetik akı azalır. Bu azalışa karşı koymak (yani mevcut alanı desteklemek) için, aşağı doğru bir manyetik alan oluşturacak şekilde saat yönünde bir girdap akımı (Eddy current) indüklenir. Bu alan, mıknatısın alanıyla aynı yönde olduğundan, plaka ile mıknatısın arka kenarı arasında çekici bir kuvvet oluşturur; ancak bu kuvvet de plakanın hareketine zıt yöndedir (yavaşlatıcı etki).

Lorentz Kuvveti Perspektifi:

Girdap akımlarının (Eddy current) oluşumu, iletken içerisindeki serbest yük taşıyıcılarına (elektronlar) etki eden Lorentz kuvveti ile de açıklanabilir:

1. Hareket Eden Yükler: Plaka hareket ederken, içerisindeki serbest elektronlar da aynı yönde hareket eder.
   
2. Manyetik Kuvvet: Bu hareket eden elektronlar, manyetik alana maruz kaldıklarında, Lorentz kuvveti etkisinde kalırlar. Sağ el kuralına göre (ve elektron yükünün negatif olduğu göz önüne alındığında), elektronlar plakanın arka tarafına doğru itilir.
   
3. Akım Oluşumu: Bu kuvvet, mıknatısın altındaki bölgede plakanın arka tarafına doğru bir elektron akışına (ve dolayısıyla zıt yönde konvansiyonel akıma) neden olur. Akım, manyetik alan dışındaki bölgelerden dolaşarak kapalı döngüler oluşturur.

Sonuçlar:

• Isı Üretimi (Joule Isınması): Sıfır olmayan bir dirence sahip iletkenlerde akan girdap akımları (Eddy current), malzemenin direnci nedeniyle ısı enerjisi açığa çıkarır. Bu olay Joule ısınması olarak bilinir. Mıknatısın altından geçen metal plakanın ısınmasının nedeni budur.
  
• Elektromanyetik Kuvvetler: İndüklenen girdap akımlarının (Eddy current) oluşturduğu karşı manyetik alanlar, orijinal manyetik alanla etkileşerek kuvvetler doğurur. Bu kuvvetler genellikle harekete veya alan değişimine karşı koyma eğilimindedir (frenleme, itme). Bazı özel durumlarda çekici kuvvetler de oluşabilir.

Girdap Akımlarının (Eddy Current) İletken İçindeki Dağılımı:

Girdap akımları (Eddy current), iletkenin sadece yüzeyinde değil, manyetik alanın nüfuz ettiği her noktada oluşur. Ancak akımın yoğunluğu, yüzeye yakın bölgelerde daha fazladır (bkz. Cilt Etkisi).

Akımlar, iletkenin geometrisinin izin verdiği ölçüde kapalı döngüler halinde dolaşır. Eğer iletkenin geometrisi akımın serbestçe dolaşmasına izin vermiyorsa (örneğin, bir yarık varsa), yükler belirli bölgelerde birikerek statik potansiyeller oluşturabilir ve bu da akımı sınırlayabilir veya engelleyebilir.

Girdap Akımı Nedir? | Etkileri ve Yönetimi

Enerji Kaybı ve Verimsizlik

Girdap akımları (Eddy current), özellikle alternatif akımla (AC) çalışan elektromanyetik cihazlarda istenmeyen bir enerji kaybı kaynağıdır. Değişken manyetik alanlar, manyetik çekirdeklerde (nüvelerde) sürekli olarak girdap akımları (Eddy current) indükler. Bu akımların neden olduğu Joule ısınması, kinetik veya elektriksel enerjinin ısıya dönüşerek kaybedilmesine yol açar. Bu durum:

• Transformatörler (Trafolar): Demir çekirdekli trafolarda verimliliği düşürür.
• Elektrik Motorları ve Jeneratörler: Verimliliği azaltır ve aşırı ısınmaya neden olabilir.
• İndüktörler: Bobinlerin performansını olumsuz etkiler.

Girdap Akımlarını (Eddy Current) Azaltma Yöntemleri: Laminasyon

Bu istenmeyen enerji kayıplarını en aza indirmek için en yaygın yöntem, manyetik çekirdekleri lamine etmek; yani ince, yalıtılmış plakalardan oluşturmaktır.

• Çalışma Prensibi: Elektronlar, laminasyon plakaları arasındaki yalıtkan katmanları (genellikle ince bir oksit veya vernik tabakası) geçemezler. Bu durum, girdap akımlarının (Eddy current) geniş alanlarda büyük döngüler oluşturmasını engeller ve onları her bir laminasyonun kendi küçük kesit alanıyla sınırlar.
  
• Yük Birikimi ve Baskılama: Akımlar laminasyon sınırlarına ulaştığında, yükler bu sınırlarda birikir. Bu birikim, Hall etkisi benzeri bir süreçle, daha fazla yük akışını engelleyen karşı bir elektrik alan oluşturur ve girdap akımlarını (Eddy current) daha da baskılar.
  
• Etkinlik: Laminasyonlar ne kadar ince olursa ve birim alana düşen laminasyon sayısı ne kadar fazla olursa, girdap akımlarının (Eddy current) bastırılması o kadar etkili olur. Ayrıca, yüksek öz dirence sahip malzemeler (örneğin, ferritler veya silikonlu çelik saclar) kullanmak da girdap akımlarını (Eddy current) azaltmaya yardımcı olur.

Cilt Etkisi (Skin Effect) ve Yakınlık Etkisi (Proximity Effect)

• Cilt Etkisi: İletkenin kendi taşıdığı alternatif akımın oluşturduğu değişken manyetik alanın indüklediği girdap akımları (Eddy current), akımın iletkenin merkezinden ziyade yüzeye yakın bölgelerde yoğunlaşmasına neden olur. Buna cilt etkisi (skin effect) denir. Yüksek frekanslarda bu etki çok belirgindir ve iletkenin efektif direncini artırır.
• Yakınlık Etkisi: Bir iletkenin yakınındaki başka bir iletkenin taşıdığı AC akımının oluşturduğu manyetik alanın, ilk iletkende indüklediği girdap akımları (Eddy current) nedeniyle akım dağılımının değişmesine yakınlık etkisi (proximity effect) denir. Bu etki, özellikle trafo sargılarında ve kablolarda ek kayıplara yol açar.

Manyetik malzemelerde ise girdap akımları (Eddy current), manyetik alanın malzemenin yalnızca yüzeye yakın belirli bir nüfuz derinliği (skin depth) mesafesine hapsolmasına neden olur. Bu durum, yüksek frekanslarda çalışan indüktörlerin ve trafoların manyetik akı bağlantısını sınırlar. Nüfuz derinliği, frekans, manyetik geçirgenlik ve elektriksel iletkenlik ile ters orantılıdır.

Girdap Akımlarının (Eddy Current) Uygulama Alanları

Girdap akımlarının (Eddy current) neden olduğu ısıtma ve kuvvet etkileri, zararlı olabileceği gibi birçok teknolojik uygulamada bilinçli olarak kullanılır:

1. Elektromanyetik Frenleme (Eddy Current Brakes)

Dış bir manyetik alan içerisinde hareket eden metal plaka üzerinde girdap akımları (Eddy current) nedeniyle oluşan frenleme kuvvetleri gösterilmektedir.

Girdap akımları (Eddy current), temassız ve dolayısıyla aşınmasız bir frenleme mekanizması sağlar.

• Çalışma Prensibi: Hareket eden iletken bir parça (örneğin tren tekerleği, dönen disk) güçlü bir manyetik alana maruz bırakılır. İletkenin hareketi nedeniyle içerisinde girdap akımları (Eddy current) indüklenir. Lenz Yasası gereği, bu akımlar hareket yönüne zıt bir Lorentz kuvveti oluşturur ve cismi yavaşlatır.
• Özellikleri: Frenleme kuvveti, hızla doğru orantılıdır; hız azaldıkça fren kuvveti de azalır, bu da yumuşak bir duruş sağlar. Elektromıknatıslar kullanılarak manyetik alan şiddeti ayarlanabilir, böylece frenleme kuvveti kontrol edilebilir. Ancak, duran bir cisme “tutunma” momenti sağlamazlar, bu nedenle genellikle mekanik frenlerle birlikte kullanılırlar.
• Uygulamalar:
  • Hızlı trenler
  • Lunapark trenleri (roller coaster’lar)
  • Elektrikli el aletlerindeki bıçakları hızlı durdurma mekanizmaları (örneğin, daire testereler)
  • Tavan vinçleri (mekanik frenlerle kombine)
  • Egzersiz bisikletleri ve kürek makineleri
  • Endüstriyel makineler

2. İndüksiyonla Isıtma (Induction Heating)

Girdap akımlarının (Eddy current) Joule ısınması etkisi, metalleri kontrollü bir şekilde ısıtmak için kullanılır.

• Çalışma Prensibi: Isıtılacak metal parça, yüksek frekanslı alternatif akım taşıyan bir bobinin oluşturduğu güçlü ve değişken bir manyetik alan içine yerleştirilir. Metal içerisinde indüklenen yoğun girdap akımları (Eddy current), malzemenin direncinden dolayı hızla ısı üretir.
• Uygulamalar:
  • Endüksiyon ocakları (mutfak)
  • Metal eritme fırınları (indüksiyon fırınları)
  • Yüzey sertleştirme (metalurji)
  • Lehimleme ve kaynak
  • Plastik enjeksiyon kalıplarının ısıtılması

3. Yıkıcı Olmayan Muayene (NDT – Eddy Current Testing)

Girdap akımları (Eddy current), iletken malzemelerdeki yüzey ve yüzeye yakın kusurları (çatlaklar, korozyon, boşluklar vb.) tespit etmek için yaygın olarak kullanılan bir NDT yöntemidir.

• Çalışma Prensibi: Bir prob aracılığıyla malzemenin yüzeyine değişken bir manyetik alan uygulanır ve yüzeyde girdap akımları (Eddy current) indüklenir. Malzemedeki bir kusur (örneğin bir çatlak), girdap akımlarının (Eddy current) normal akış yolunu değiştirir. Bu değişiklik, prob tarafından algılanan empedans (direnç ve endüktans) değişimleri olarak ölçülür.
• Uygulamalar:
  • Havacılık endüstrisi (uçak gövdesi, motor parçaları, iniş takımları)
  • Isı değiştirici borularının kontrolü
  • Kaynak dikişlerinin muayenesi
  • Malzeme ve kaplama kalınlığı ölçümü
  • İletkenlik ölçümü

4. İtici Etki, Havada Kalma (Levitation) ve Ayırma

Değişken manyetik alanlardaki girdap akımları (Eddy current), diyamanyetik benzeri itme kuvvetleri oluşturabilir.

• Çalışma Prensibi: Bir iletken, değişken veya hareketli bir manyetik alana yaklaştığında, içinde indüklenen girdap akımları (Eddy current), Lenz yasası gereği alanı iten bir karşı alan oluşturur. Bu da iletken üzerine net bir itme kuvveti uygular.
• Uygulamalar:
  • Manyetik Levitasyon (Maglev): Sürekli enerji girişiyle, bu itme kuvveti yerçekimine karşı koyarak nesnelerin havada kalmasını sağlayabilir. Özellikle süperiletkenlerde (direncin sıfır olduğu), girdap akımları (Eddy current) sönümlenmeden kalıcı hale gelerek stabil levitasyon sağlar (Meissner etkisiyle birlikte). Hareketli manyetik alanlar üreten sistemlerle (lineer motorlar gibi) raydan bağımsız levitasyon ve itki de mümkündür. Kalın bir alüminyum levha üzerindeki bir lineer motorun dikey kesiti gösterilmektedir. Lineer motorun manyetik alan deseni ilerledikçe, girdap akımları (Eddy current) metalin içinde geride kalır ve bu durum manyetik alan çizgilerinin eğilmesine neden olarak itme/çekme kuvvetleri oluşturur.
  • Girdap Akımı Ayırıcıları (Separators): Hurda metal ayrıştırmada kullanılır. Güçlü bir dönen mıknatısın yanından geçen karışık hurda metallerden, demir içeren (ferromanyetik) metaller mıknatısa yapışırken, alüminyum, bakır gibi demir içermeyen iletkenler girdap akımlarının (Eddy current) oluşturduğu itme kuvvetiyle farklı bir yöne savrulur.
  • Basit Gösterimler: Güçlü bir neodimyum mıknatısı bakır bir boru içinden düşürmek; mıknatısın girdap akımları (Eddy current) nedeniyle oldukça yavaş düştüğü gözlenir. Mıknatısı iletken bir bozuk paranın (örneğin alüminyum veya bakır içeren) üzerinde hızla gezdirmek, paranın itilmesine neden olabilir.

5. Titreşim ve Pozisyon Algılama (Proximity Sensors)

Girdap akımı (Eddy current) prensibi, özellikle dönen makinelerdeki yakınlık sensörlerinde kullanılır.

• Çalışma Prensibi: Sensör, hedefe (genellikle dönen bir şaft) doğru yüksek frekanslı bir manyetik alan yayar. Hedef yüzeyde indüklenen girdap akımları (Eddy current), sensör bobininin empedansını etkiler. Hedef ile sensör arasındaki mesafe değiştikçe, girdap akımlarının (Eddy current) şiddeti ve dolayısıyla bobin empedansı da değişir. Bu değişim ölçülerek mesafe, titreşim veya pozisyon bilgisi elde edilir.
• Özellikleri: Temassız çalışırlar ve çok yüksek hassasiyette ölçüm yapabilirler.
• Uygulamalar:
  • Turbomakinelerde (türbinler, kompresörler, pompalar) şaft titreşimlerinin ve eksenel pozisyonunun izlenmesi (Bently Nevada sensörleri gibi).
  • Endüstri standartlarında kullanılırlar.
  • Ferraris Sensörü: Göreceli ivmeyi temassız olarak ölçmek için girdap akımlarını (Eddy current) kullanan bir sensör türüdür.

6. Metal Ayırt Etme ve Sahtecilik Tespiti

• Otomatlar: Bozuk para ile çalışan makinelerde, atılan paranın orijinalliğini kontrol etmek için kullanılır. Para, sabit bir mıknatısın yanından geçerken üzerinde girdap akımları (Eddy current) oluşur ve bu akımlar parayı yavaşlatır. Yavaşlama miktarı, paranın yapıldığı metalin iletkenliğine bağlıdır. Sahte paralar veya farklı metaller, farklı derecelerde yavaşlayacağı için makine tarafından ayırt edilip reddedilebilir.
• Metal Dedektörleri: Değişken bir manyetik alan yayan bir bobin kullanılır. Yakındaki bir metal nesne, bu alanda girdap akımları (Eddy current) oluşturur. Bu girdap akımları (Eddy current) da kendi manyetik alanlarını yaratır ve bu alan, dedektördeki ikinci bir bobin tarafından algılanarak metalin varlığını işaret eder.

RASTGELE TEKNİK İÇERİK İÇİN TIKLAYIN!

İlginizi Çekebilecek Teknik Hesaplar
Kompanzasyon Hesabı
Aydınlatma Hesabı
Yüksek Gerilim İşletme Sorumluluğu Ücreti Hesabı

Sosyal medyada teknik bilgilere maruz kalmak için:
YouTube – Instagram