| Elektromanyetizma |
|---|
Alternatif akım (AA veya AC) veya dalgalı akım, genliği ve yönü periyodik olarak değişen elektriksel akımdır. En çok kullanılan dalga ürü sinüs dalgasıdır. Farklı uygulamalarda üçgen ve kare gibi değişik dalga biçimleri de kullanılmaktadır. Bütün dalgalar birbirlerine elektronik devreler aracılığı ile çevrilebilir. Devrede kondansatör, diyotlar, röleler ile bu çevrim yapılabilir. Alternatif akım genellikle sanayi ve konutlarda kullanılır. Santrallerde üretilen enerjinin sevkinde de Alternatif akım kullanılmaktadır. Deniz altına yapılan enerji nakil hatlarında ve çok uzun mesafeli ithalat veya ihracat kara transfer hatlarında üretilen AC elektrik, dalga yapısında bozulmalara sebep verilmemesi için DC'ye dönüştürülerek taşınmaktadır. HVDC (Yüksek voltajlı doğru akım) ismi verilen uygulama ile okyanus ya da deniz altından nakil hatları ve çok uzun mesafede kayıpsız olarak transfer yapılabilmektedir. Bu kablolar elektrik akımını çıkış noktasından DC olarak taşır fakat elektrik akımı varış noktasına geldiğinde elektrik akımı türü tekrar Alternatif Akıma çevirilir.


Tarihçe

İzolasyonlu kablolar arasındaki alternatif akım etkisini pratikte ilk dizayn eden William Stanley'dir. İndüksiyon bobini adını verdiği ve transformatörün atası olan sistemle alternatif akımla ilgili çalışmalarına başlamıştır. Bugün kullanılan haliyle alternatif akım ilk olarak Nikola Tesla tarafından 1886 yılında laboratuvar ortamında üretilmeye başlanmıştır. Tesla daha sonra patentini George Westinghouse'a satmıştır. O yıllarda Lucien Gaulard, John Dixon Gibbs, Carl Wilhelm Siemens ve diğer bazı bilim adamları da bu alanda çalışmalar yapmışlardır.
Endüstriyel amaçlı üç fazlı AC elektrik akımı üreten ilk santral ise, 1893 yılında Almirian Decker tarafından Kaliforniya'daki Mill Creek hidroelektrik santralinde kurulmuştur. Decker'ın tasarladığı sistem 10.000 volt ve 3 fazlı bir sistemdir. Bu gerilimi kullanan sistemler günümüzde hâlâ motorlarda ve bazı nakil hatlarında bulunmaktadır.
Alternatif akım 19. yüzyılın sonları ile 20. yüzyılın başlarında geliştirilerek kullanılmaya başlanılmıştır. Günümüzde sanayi elektriği ve konutlarda kullanılmaktadır.
Akımlar savaşı
19. yüzyılın sonlarında, elektrik enerjisinin üretimi ve dağıtımı konusunda Thomas Edison'un savunduğu Doğru Akım (DC) ile George Westinghouse ve Nikola Tesla'nın öncülük ettiği Alternatif Akım (AC) arasında "Akımlar Savaşı" (İngilizce: War of the Currents) olarak bilinen ticari ve teknolojik bir rekabet yaşanmıştır.
Edison'un şirketleri tarafından kurulan ilk elektrik şebekeleri doğru akım kullanıyordu. Ancak doğru akım, aynı gerilim seviyesinde uzak mesafelere iletilmek istendiğinde kablolarda büyük enerji kayıplarına yol açmaktaydı. Bu sorunu çözmek için santrallerin tüketicilere çok yakın inşa edilmesi ve kalın bakır kablolar kullanılması gerekiyordu. Buna karşılık, Nikola Tesla'nın geliştirdiği ve patentleri George Westinghouse tarafından satın alınan alternatif akım sistemi, transformatörler yardımıyla elektrik geriliminin (voltajın) yükseltilmesine ve düşürülmesine olanak tanıyordu. Elektriğin yüksek gerilim ve düşük akım ile iletilmesi, ince kablolarla yüzlerce kilometre uzağa çok az güç kaybıyla taşınmasını sağladı ve alternatif akımı ekonomik açıdan üstün kıldı.
AC sisteminin pazar payını hızla ele geçirmesi üzerine Thomas Edison, alternatif akımın insan hayatı için son derece tehlikeli olduğunu öne süren bir karalama kampanyası başlattı. Bu kampanya kapsamında, halka açık alanlarda kedi, köpek ve at gibi çeşitli hayvanlar alternatif akım verilerek itlaf edildi. Ayrıca, AC'nin ölümcül imajını pekiştirmek amacıyla tarihteki ilk elektrikli sandalye infazında alternatif akım jeneratörleri kullanıldı.
Edison'un tüm karalama çabalarına rağmen, alternatif akımın teknik ve ekonomik üstünlüğü galip geldi. 1893 yılında Chicago'da düzenlenen Kolomb Dünya Fuarı'nın (World's Columbian Exposition) aydınlatma ihalesini Westinghouse'un kazanması ve fuarın AC ile başarılı bir şekilde aydınlatılması dönüm noktası oldu. Kısa bir süre sonra, Niagara Şelalesi'nde kurulacak olan dünyanın ilk büyük ölçekli hidroelektrik santrali projesinin Westinghouse ve Tesla'nın AC sistemine verilmesiyle Akımlar Savaşı fiilen sona erdi. Bu zafer, alternatif akımın günümüzde dünya genelindeki elektrik iletim şebekelerinin temel standardı olmasının yolunu açtı.
Popüler kültürdeki yeri
Akımlar Savaşı ve alternatif akıma karşı yürütülen karalama kampanyaları, modern kurgu eserlerinde tarihsel bir tema olarak işlenmiştir:
- 2018 yapımı Red Dead Redemption 2 oyununun 1907 yılında geçen epilog bölümünde, oyuncular sinemalarda "Direct Current Damnation" (Doğru Akımın Laneti) adlı bir kısa filmi izleyebilirler. Gerçek tarihteki propagandaların aksine bu filmde Alternatif Akım (AC), "meleklerin akımı" ve "cennetin ışığı" olarak betimlenirken; Doğru Akım (DC), "tellerden akan ateş" ve "sıvı ölüm" (liquid death) olarak nitelendirilerek şeytanlaştırılır. Filmdeki sahnelerde, DC akımının kuşları cayır cayır yaktığı ve basit bir lamba anahtarını açan bir kadının elektrik çarpması sonucu feci şekilde can verdiği gösterilir. Bu sekans, Akımlar Savaşı sırasındaki manipülatif dili ve korku propagandasını oyun dünyasında rollerin tersine çevrildiği hicivli bir dille yansıtmaktadır.Direct Current Damnation Kısa Filmi
Üretimi, iletimi ve dağıtımı
Üretimi

Bilindiği gibi içerisinden elektrik akımı geçen bir kablo etrafında manyetik alan meydana getirir. Tersine olarak, manyetik alana maruz kalan bir kabloda da elektrik akımı oluşur. Bu ilkeden yola çıkılarak sabit stator ve hareketli rotor dan oluşan bir sistem dizayn edilmiştir. Çeşitli güçlerle (hidroelektrik santraldeki yüksekten düşen su, termik santraldeki buhar gücü vb.) döndürülen rotor statorda sarılı haldeki kablolar üzerinde elektrik akımı oluşturur. Daire biçimindeki statorun 120°'lik açı ile 3 tarafından üretilen elektrik enerjisi alınır. Üç faz oluşmuş bulunmaktadır. AC'deki sinüs dalgasının sebebi ise her faza düşen manyetik alanın, döner haldeki rotor sebebiyle sürekli değişmesinden kaynaklanmaktadır.
İletimi
Alternatif akımın gerilimi bilindiği gibi transformatörlerle arttırılabilir veya azaltılabilir. İletim sırasında nakil hatlarında oluşan gerilim düşümünü indirgemek için yüksek gerilimler kullanılır. Türkiye için iletim hatlarında 154 ve 380 kV (kilovolt) kullanılır. Burada iletim hattından kastedilen santral ile şehir şebeke girişleri arasıdır.
Bir iletim hattındaki kayıp güç iletkendeki akımın karesi ve direncinin çarpımı ile bulunur. P = I 2 ⋅ R {\displaystyle P=I^{2}\cdot R\,\!} olarak formülize edilir. Bunun anlamı; eğer iletkendeki akım 2 katına çıkarsa güç kaybı 4 kat artacaktır.
Ancak yüksek gerilimlerin de dezavantajları vardır. Bunlar;
- Taşıma tehlikeleri
- Hatta oluşan yüksek manyetik alandan dolayı etkileşim
- Hatta oluşan yüksek manyetik alandan dolayı kablolarda ters gerilimler oluşması ve gerilim saflığının bozulması (günümüzde hat başından hat sonuna 3 kere çaprazlama yapılarak giderilmektedir)
Günümüzde HVDC sistemler, yani yüksek gerilimli doğru akım iletim sistemleri bu etkileri ortadan kaldırmıştır. Ancak uygulanması ve işletme maliyetleri çok yüksektir. Bu sistemde santralde üretilen AC güç, doğrultucu devreler yardımıyla DA güce çevrilir ve DA olarak taşınır. Hat sonunda tekrar AA güce çevrilir.
Hatta 3 faz taşımak esastır. Çünkü dünyadaki elektrik santrallerinin tamamına yakını 3 faz elektrik üretir. Bunun sebebi jeneratörün statorundaki 120°'lik açıyla dizilmiş hat çıkışlarıdır.
Dağıtımı

Şehirlerarası nakil hatları sonlar ile şehir şebekesi başlangıçları arasında indirici merkezler bulunur. Bu merkezlerin görevi gelen yüksek gerilimi dağıtım planlarına göre orta gerilim veya düşük gerilime çevirmektir. Bu merkezlerdeki transformatörler bu görevi yüklenirler. Temel olarak bir indirici merkezde, transformatör, kesici, ayırıcı, gerilim trafosu, kumanda panoları bulunur.
AC matematiği

Alternatif akım, alternatif gerilimle beraber incelenir. Alternatif akım genellikle sinüzoidaldir. AC gerilim (V) zamanın bir fonksiyonu olarak aşağıdaki formülle tanımlanır:
- v ( t ) = V p i k ⋅ sin ( ω t ) {\displaystyle v(t)=V_{\mathrm {pik} }\cdot \sin(\omega t)} ,
Burada,
- V p i k {\displaystyle \displaystyle V_{\rm {pik}}} pik yani maksimum gerilimi (birim: volt),
- ω {\displaystyle \displaystyle \omega } açısal frekansını (birim: saniye başına radyan)
- t {\displaystyle \displaystyle t} ise zamanı (birim: saniye) gösterir.
Pik-pik(tepeden tepeye) değeri AC gerilim için pozitif tepe değeri ve negatif tepe değeri arasındaki değerdir. sin ( x ) {\displaystyle \displaystyle \sin(x)} için en büyük değer olan +1 ile ve en düşük değer -1 arasında AC gerilim pik değerleri + V p i k {\displaystyle \displaystyle +V_{\rm {pik}}} ve − V p i k {\displaystyle \displaystyle -V_{\rm {pik}}} arasında değişir. Pik-Pik değeri genellikle V p p {\displaystyle \displaystyle V_{\rm {pp}}} ya da V P − P {\displaystyle \displaystyle V_{\rm {P-P}}} şekillerinde yazılır. V p i k − ( − V p i k ) = 2 × V p i k {\displaystyle V_{\rm {pik}}-\left(-V_{\rm {pik}}\right)=2\times V_{\rm {pik}}} ile formülize edilir.
Güç
Gerilim ile güç arasındaki ilişki şöyledir:
- P o r t a l a m a = V 2 e t k i n R . {\displaystyle P_{\rm {ortalama}}={\frac {{V^{2}}_{\rm {etkin}}}{R}}.}
ya da
- P o r t a l a m a = V e t k i n I e t k i n c o s ϕ {\displaystyle P_{\rm {ortalama}}={{V}_{\rm {etkin}}{I}_{\rm {etkin}}{cos\phi }}}
Görüldüğü gibi ideal bir devrede üreteç tarafından sağlanan güç sadece dirençte ısı olarak dağılır. İndüktörde veya kondansatörde güç kaybı meydana gelmez.
Etkin değerler
Bir AC devresinde akım ve gerilimin büyüklüğü sürekli değiştiğinden güç hesapları yaparken ortalama bir değer yararlı olur. Bu ortalama, gerilimin karesinin ortalamasının karekökü olarak hesaplanır ve rms ya da etkin adını alır.
- Sinüs şeklindeki bir dalga için etkin değer
- V r m s = V p i k 2 . {\displaystyle V_{\mathrm {rms} }={\frac {V_{\mathrm {pik} }}{\sqrt {2}}}.}
- Kare dalga için
- V r m s = V p i k . {\displaystyle \displaystyle V_{\mathrm {rms} }=V_{\mathrm {pik} }.}
- Üçgen dalga için
- V r m s = V p i k 3 . {\displaystyle V_{\mathrm {rms} }={\frac {V_{\mathrm {pik} }}{\sqrt {3}}}.}
- T {\displaystyle T} periyoduna sahip herhangi bir v ( t ) {\displaystyle v(t)} dalgası için periyot
- V r m s = 1 T ∫ 0 T [ v ( t ) ] 2 d t . {\displaystyle V_{\mathrm {rms} }={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}{[v(t)]^{2}dt}}}.}
ile hesaplanır.
Örnek
Türkiye şehir şebekelerinde 220 V AC kullanılmaktadır. 220 V değeri alternatif gerilimin etkin değeridir. Yani sürekli değişim halinde iletilen gerilimin ortalaması DC olarak 220 Volt'a karşılık gelmektedir. Şehir geriliminin pik değeri 220 V × 2 {\displaystyle \scriptstyle 220V\times {\sqrt {2}}} yaklaşık 311 Volttur.
AC güç frekansları
Elektriğin frekansı ülkelere göre değişiklik gösterebilir. En çok kullanılan frekanslar 50 ve 60 hertzdir. Askerî alanlarda, denizaltılarda, tekstil endüstrisinde, bazı merkez bilgisayarlarda, uçaklarda ve uzay araçlarında 400 hertz kullanılmaktadır. Aşağıdaki tabloda ülkelere göre frekans ve gerilim değerleri bulunmaktadır.
Akım tipleri
Alternatif akım tiplerinden çok kullanılanlar şunlardır;
- Bir fazlı AC- burada bir faz, bir de dönüş iletkeni vardır. Bu, en sık rastlanan alternatif akım enerjisidir. Evlerde kullanılan şekliye frekans 50 Hz, gerilim ise 220 V tur. (ABD de sırasiyla 60 Hz ve 110 V)
- 120/240 VAC- bu kod, bir üçüncü iletkeni ortak kullanan iki adet faz hattını göstermektedir. Her bir faz ile ortak iletken arasında 120 VAC (120 voltluk alternatif gerilim) ve fazlar arasında ise 240 volt alternatif gerilim vardır. Fazlar arasındaki fark ise 180° dir.
- 120/280 VAC- bu, yukarıda sözedilen 120/240 VAC ile aynıdır; ancak burada iki faz arasındaki açı 120°. Dolayısıyla iki faz arasındaki bileşke gerilimi 280 volt olur.
- 220 VAC veya 240 VAC- bu, yukarıda sözü edilen 120/240 VAC sistemin iki adet fazını gösterir. Yalnız başlarında kullanılan 220 ve 240 kodları ise, genel olarak ortak iletkenin hiç kullanılmadığını anlamına gelir.
- 208 VAC- bu, 120/208 VAC sisteminin iki adet fazını gösterir. 208 kodunun yalnız başına kullanılması hali ise, genel olarak ortak iletkenin kullanılmadığı anlamına gelir.
- İki fazlı- aslında, tam olarak doğru olmayan bu terim, üç fazlı bir sistemde bulunan fazların ikisini kullanan bir enerji şebekesini tanımlamak için kullanılır.
- Üç fazlı- üç adet fazı bulunan bir enerji sistemi: burada her bir iletkenin arasındaki gerilim fazları farkı yüz yirmişer derece olarak eşit bölünmüştür.
Alternatif Akım Arkı
Alternatif akım (AC) sistemlerinde meydana gelen elektrik arkları, doğası gereği doğru akım (DC) arklarına kıyasla daha kararsızdır ve sönümlenmesi çok daha kolaydır. Bunun temel nedeni, alternatif akımın dalga formunun periyodik olarak gerilim ve akımın sıfır olduğu noktadan (sıfır geçiş noktası veya ''zero-crossing'') geçmesidir.
AC arklarının dinamik yapısı, en net şekilde "Yakup'un Merdiveni" (Jacob's Ladder) deneyi ile gözlemlenir. Bu deneyde, alttan üste doğru açılan V şeklindeki iletkenler arasında oluşan ark; yüksek ısı sonucu havayı iyonize ederek plazma haline getirir. Atmosferdeki azot ve oksijen gazlarının uyarılmasıyla, bu ark karakteristik olarak mavi ve beyaz tonlarında parlak bir ışıma yapar.
Ark oluştuktan sonra, ısınan gazların hafifleyerek yükselmesi (termal konveksiyon) sonucu ark kanalı havaya doğru yükselir, bükülür ve yay çizer. Bu yükselme esnasında ark uzadıkça, akım dalgasının sıfır noktalarıyla birleşerek kopma eğilimine girer. Ark koptuğu anda, potansiyel fark tekrar en dar noktada (elektrotların alt kısmında) yoğunlaşır ve ark tekrardan başlar. Şebeke frekansına bağlı olarak saniyede onlarca kez tekrarlanan bu "sönüp-yeniden başlama" döngüsü, havanın hızla genleşip büzüşmesine ve bunun sonucunda da arkın o meşhur, cızırtılı/vızıltılı akustik gürültüye sahip olmasına yol açar.
Bu süreç, AC arklarının DC arklarına kıyasla neden daha hareketli, gürültülü ve karakteristik mavi-beyaz tonda olduğunu açıklayan en somut fiziksel örnektir.
Ülkelere göre AC gerilim, frekans ve priz tipi listesi
Priz tipleri

- O Tipi: Üç yuvarlak pini vardır. Sadece Tayland'da kullanılır.
- A Tipi: ABD, Kanada, Meksika ve Japonya'da kullanılır. İki adet düz paralel pini vardır.
- B Tipi: A Tipi ile aynıdır, ancak ekstra yuvarlak bir topraklama pini bulunur.
- C Tipi (Europlug): İki yuvarlak pini bulunur. Türkiye ve Avrupa'nın genelinde standarttır. Topraklama özelliği yoktur.
- D Tipi: Hindistan, Nepal ve Namibya'da yaygındır. Üç büyük yuvarlak pini üçgen şeklinde konumlanmıştır.
- E Tipi: Fransa, Belçika ve Slovakya'da kullanılır. C Tipi ile uyumludur, ancak prizden dışarı doğru çıkan topraklama pini bulunur.

- F Tipi (Schuko): Türkiye'de ve Avrupa'nın büyük kısmında (İngiltere hariç) kullanılan en yaygın topraklı prizdir. Yanlarda topraklama klipsleri bulunur.
- G Tipi (İngiliz Tipi): İngiltere, İrlanda, Kıbrıs ve Hong Kong'da standarttır. Üç adet kalın ve dikdörtgen pini vardır.
- H Tipi: Sadece İsrail ve Filistin'de kullanılan, üç adet düz pini olan priz tipidir.
- I Tipi: Avustralya, Yeni Zelanda, Çin ve Arjantin'de yaygındır. İki düz V şeklinde ve bir topraklama pinine sahiptir.
- J Tipi: İsviçre ve Lihtenştayn'da kullanılır. Üç yuvarlak pini vardır (ortadaki topraklama).
- K Tipi: Danimarka ve Grönland'da kullanılır. Üçgen şeklinde iki yuvarlak ve bir yarım daire pine sahiptir.
- L Tipi: İtalya ve Şili'de yaygındır. Üç yuvarlak pini düz bir çizgi halinde sıralanmıştır.
- M Tipi: Güney Afrika'da kullanılır. D tipi ile benzer ama çok daha büyük pinlere sahip topraklı bir prizdir.
- N Tipi: Brezilya'da standarttır. Derin bir yuva içinde üç adet yuvarlak pini bulunur.
Kaynakça
Dış bağlantılar
|
