Kablosuz Elektrik Nedir ve Nasıl Çalışır?
kablosuz elektrik aslında mucizevi bir şey değildir.
kablosuz elektrikten kasıt elektrik enerjisinin bir iletken ile taşınmamasıdır aslında. tabii, insanların aklında şimşekler falan canlanıyor kablosuz elektrik deyince. bunlar hep tesla bobini denen oyuncağın etkileri maalesef.
aslında bakarsanız elektrik enerjisi kablosuz üretilir. temelde şöyledir (senkron generatörü baz alarak açıklıyorum ki kabaca bir oran verirsem ürettiğimiz elektrik enerjisinin %90'ından fazlasını senkron generatör denen dönen elektrik makinesi ile üretiriz):
- böyle kocaman elektromıknatıslarınızın olduğunu düşünün. yani böyle bobinleriniz var kocaman kocaman. bu bobinleri doğru akım (ne? doğru akım alternatif akımın üretiminde mi kullanılıyor? lanet olsun, hemen okumayı bırakın burada.) ile enerjilendiriyoruz. elektromıknatısa dönüşen bobinlerimiz bunlar.
yukarıdaki görsel aslında çıkık kutuplu senkron generatörün rotoru. yani dönen kısmı. yani biz bu rotoru, yani elektromıknatıslarımızı döndürüyoruz. nasıl mı? bağla kardeşim bir türbine, artık su mu olur, rüzgar mı olur, buhar mı olur sana kalmış (ne kadar hızlı döndüreceğiz, ne bileyim su türbiniyse su debisi ne olmalı gibi sorular da önemli tabi. bu kısımlar biraz elektrik şebekesi ile alakalı, o kısımları sormayın şimdi bana. he, özelden sorabilirsiniz tabi canım. he, ulan dönen bobinlere nasıl dc enerji veriyoruz sorusunun da kimi uyanık okurların aklına gelmesi muhtemel. ya bu da şey gibi, böyle şarj dinamosu var ya arabada, bozulunca abi kömürü bitmiş bunun diyor ustacığımız. heh, aynısı bizim koca koca generatörlerimizde de oluyor. mekanik bir düzenekle iletkenlik sağlanıyor yani, sen merak edersen sor bana bunu da.). sonra bu rotorun etrafına sargılar (yani bobinler) koyuyoruz. böyle bir şey:
burası da generatörün statoru, yani durağan kısmı. işte statora koyduğumuz bobinlerden akan elektrik enerjisini sen, ben, ahmet amca, fatma teyze, kısaca biz kullanıyoruz. asıl kısma dönersek, stator ve rotor arasında bir kablo mu var? hayır. alın size kablosuz elektrik. peki nasıl oluyor abicim? siz hiç michael faraday'ı, james clerk maxwell'i duydunuz mu? "teslaaaaahhh" diye götünüzü yırtacağınıza (ki az önce anlattığım generatörü tesla'dan önce yine alternatif akım üretmek için kullanıyorduk diyeyim peşinen.) şu adamcağızlara bir bakın bunlar ne yapmış, ne bulmuş diye. arada bir kablo olmadan statorda elektrik akımı oluşmasının sebebi faraday yasası. özetle rotorumuzun manyetik alanı zamana bağlı değiştiğinden (d(phi)/dt, phi: manyetik akı) stator bobinlerinde gerilim
oluşuyor:
e ~ d(phi)/dt
e: stator bobinlerinde oluşan gerilim.
~: orantılıdır.
özetle elektrik enerjisini üretirken bir kabloyu bir yere daldırıp "ohh.. ne güzel üretiyorum, hem de kablolu üretim" demiyoruz. elektrik enerjisini manyetik alan aracılığıyla kablosuz ileterek üretiyoruz.
kablosuz elektriğe bir diğer en büyük örnek transformatör dediğimiz şey en basit şekliyle mekanikteki kayış-kasnak düzeneğinin ya da otomobillerdeki şanzımanın elektrikteki karşılığı.
nedir şanzıman mesela, farklı çevirme oranına sahip dişliler. ne yapıyoruz fites (vites) değiştirirken tork ve hız oranlarını değiştiriyoruz aslında gücümüz sabit (güç ~ tork*hız). trafoda yapılan da aynısı, girişteki akım ve gerilim oranlarını değiştirmek (güç ~ akım*gerilim) peki transformatörün girişi ve çıkışı (primer ve sekonder deriz bunlara) arasında kablo var mı? anaaa yok:
peki olay ne? generatörden bir farkı yok, aynı nane, faraday yasası. primerden akan akım bir manyetik alan oluşturuyor, bu manyetik alan da gidip sekonderde gerilim oluşturuyor. enerji manyetik alan aracılığı ile taşınmış oluyor. (bu arada böyle arabadaki kablosuz şarjlar falan da transformatörün laciverti. onlarda farklı bir şeyler var sanmayın.)
dönen transformatör olarak tanımladığım, insanoğlunun sanayideki eşeği asenkron motor da (bakın bu arkadaşta tesla'nın çok emeği vardır, bir de galileo ferraris 'in.) generatör ve trafodan farksız. elektrik enerjisini şebekeden alıp manyetik alan ortamında rotoruna iletip mekanik güç çıkışı olarak işimizi görüyor.
anladık ki generatör-transformatör-motor üçgenindeki elektrik şebekemizde bolca kablosuz elektrik var. ve bu cihazların verimleri oldukça yüksektir (transformatörlerin %98-99, motor ve generatörlerin de kabaca %85-90 diyelim.). ee, abicim o zaman iletim hattı da kullanmayalım, madem verim yüksek? kablosuz iletelim? öyle olmuyor işte sayın elektrikseverler. bizim generatörümüzde, trafomuzda, motorumuzda manyetik alanın ortamı hava değil, ferromanyetik malzemeler. ferromanyetik malzeme ne demek? bakırın elektriği iletmesi gibi manyetik akıyı oldukça iyi ileten malzeme demek kabaca. bahsettiğim üçgendeki verim de bu yüzden yüksek işte. hadi diyelim insanların aklına geldiği şekilde elektrik enerjisini kablosuz taşıyayım.
iki seçeneğim var:
1. tesla bobini tarzı işe yaramaz düzeneklerle dört bir yana ark fırlatacağım. yani elektriği yüksek frekans ve gerilim kullanarak havadan ileteceğim. gerilimi sonrasında trafo ile düşürürüm de frekans için başka şeyler lazım olacak şimdi. ee en önemlisi, hava iletken mi? değil. sonuç: saçma bir fikir. he, güzel şovu olur mu, olur. ama hayvan gibi verimsiz olur. ayrıca kablo yok dedim ama tesla bobini yapayım derken bir ton bakır iletken harcadım ne anlamı kaldı ki? ha bir de hayatımdaki şu müthiş iyimserliği (aptallığı) kaçırdım, ama olsundu: "kablosuz iletim olunca elektrik de bedava olacak, yuppi... ama buna engel oluyorlar, bunlar hep amariga'nın oyunu, tesla'nın çalışmalarını gizliyorlar." evet, burada ağız dolusu bir hassiktir diyebilirsiniz.
velhasıl, 2. çözüme geç.
2. elektrik enerjisini manyetik alan kullanarak havadan geçirebilirim. hava iyi bir manyetik geçirgen mi, değil. ama küçük güçlerde falan işe yarar mı yarar (mesela bilgisayar harddisk'lerinde (ssd öncesi) hava çekirdekli, yani ferromanyetik malzeme kullanılmayan elektrik motoru kullanılır), verimsiz olursa da olsun siktir et zaten güç küçüldükçe kim takar verimi. ha güçler biraz büyüdü mü, mesela elektrikli otomobil aküsünü şarj edeceğim gibi şeyler karşıma çıktı. olsun yahu güç elektroniği devreleri ile beraber kullandığım spesifik çözümler bunlar, hallederiz. ama sen bana koca şebekedeki elektriği manyetik alanla ne bileyim her bir yere yayılan elektromanyetik dalgalarla falan taşı dersen, yo dostum yo, hiç kanser olmaya gerek yok. he, bu sistem verimli olsa insanları kanser yapıp kullanırlardı zaten siz çok şaapmayın.
sonuç: 1. çözüme dön.