Fotovoltaik Enerji Sistemleri

Elektromanyetik Radyasyon ve Fotovoltaik Enerji Dönüşümü

Yazı Dizisi-16

Haluk Özgün

3. ELEKTROMANYETİK RADYASYON VE FOTOVOLTAİK ENERJİ DÖNÜŞÜMÜ
3.1 Elektrik Alan, Manyetik Alan ve Işık

Yeryüzünde canlı hayatın devamlılığı ışığın varlığına bağlıdır, çünkü farkında olmasak ta diğer enerji kaynakları güneş enerjisi sayesinde oluşmuştur. Bugün arabalarımızda kullandığımız yakıtlardan, termik santrallerde yakılan kömüre veya ocaklarda kullanılan doğalgaza kadar kullanmakta olduğumuz enerji kaynaklarının kökeni aslında elektromanyetik radyasyon veya ışıktır.

İnsanın yaşadığı çevre ile bağlantı kurmasını sağlayan en önemli duyu organı gözleridir. Sahip olduğumuz bilgilerin çok büyük bir kısmını görme duyularımız ile elde ederiz. Günlük hayatta pek çok bilgi bize ışık yolu ile ulaştırılır. Araba kullanırken değişen trafik ışıklarının rengi, kitap ve gazetede okuduğumuz yazılar, televizyonda izlediğimiz görüntüler sahip oldukları bilgileri bize ışık yolu ile iletirler.

Işığı anlayabilmenin ilk yolu elektrik alan ile manyetik alan kavramlarını anlamaktan geçmektedir.

Elektriksel yükler ve manyetik özelliğe sahip maddeler boşlukta birbirleri etrafında değişimler (değişkenlikler) göstererek uzaktaki objeleri etkileyen kuvvetler oluştururlar. Bu değişken alana kuvvet alanı denir. Bu kuvvetler uzaktaki objeleri itip çekmeye veya objenin bulunduğu çevre içinde değişik etkilere neden olurlar.

Şekil-3.1: Çubuk mıknatıstaki manyetik alan çizgileri.[18]

Bilim adamları bir maddenin manyetik özelliğe sahip olup olmadığını manyetik alanın yarattığı etkilere bakarak söyleyebilirler. Manyetik alan görülebilir olmadığından sadece manyetik cisimlerin çevrelerinde yarattığı manyetik kuvvetler incelenerek bir yorum yapılabilir. Bir elektrik yükü veya manyetik malzeme kendisini saran manyetik alana hemen karşılık verir. Bu alan içinde yönelme yapabilir ve bu alan başka bir dış kuvvet tarafından oluşturulmuştur. Bu olayı klasik fizikten yola çıkarak açıklayacak olursak; çok büyük kütleye sahip masif objeler yerçekimi alanı oluştururlar ve uzaktaki objeleri etkilerler.

Güneşin dünya üzerinde yarattığı etkiyi kısaca özetleyecek olursak;

Güneş, güneş sisteminin toplam kütlesinin %99.86 sını oluşturmakta ve bu durum füzyon reaksiyonları için gerekli hidrojeni merkezine hapsedecek çekim gücünü oluşturmasının yanında diğer bütün gezegenleri de kendisine çekmektedir. Görüldüğü gibi yaratılan bu kuvvet alanı bizden ortalama 149.600.000 km uzakta olsa da oldukça etkili bir şekilde dünyanın yörüngesini ve dönüş hızını etkileyebilmektedir. Bununla birlikte güneş rüzgarları ile uzaya salınan çok yüksek enerjiye sahip kozmik ışınlar dünyanın manyetik alanını bozan jeomanyetik fırtınalara neden olurlar. Bu etki yeryüzünde elektronik aletlerin bozulması, enerji iletim hatlarının aşırı yüklenmesi gibi zararlı etkileri doğurmaktadır.

Bilim adamları içinden akım geçen bir telin etrafında manyetik alan oluştuğunu keşfetmiş ve buna yönelik değişik uygulamalar geliştirmişlerdir. Araba hurdalıklarında kaldıraç olarak kullanılan büyük vinçlerden, telefonlarda manyetik alan oluşturan küçük alıcılara kadar çok farklı alanlarda bu özellik kullanılmaktadır.

Şekil-3.2: Akım geçen bir telin etrafında oluşan manyetik alan çizgileri ve yönü.[18]

Şekil-3.3:İçerisinden akım geçen bir bobinin etrafında oluşan manyetik alanlar.[18]

Manyetik alanda gerçekleşen değişimler değişken bir elektrik akımı oluştururlar. Alternatörlerin çalışma yapısı bu prensip çerçevesinde dizayn edilmiştir. Kısaca değinmek gerekirse alternatörlerde stator ve rotor olmak üzere iki ana kısım vardır. Stator sabit, rotor döner olacak şekilde dizayn edilmiştir. Sabit manyetik alan içinde sargılar hareket ettirilerek bir potansiyel fark ve elektrik akımı üretilmiş olur. Alternatörler sayesinde de hidroelektrik veya termik santrallerde elektrik enerjisi üretilmiş olur.

Şekil-3.4: Sabit manyetik alanda üretilen alternatif akım.[19]

James Clerk Maxwell (1831-1879) manyetik alan ile elektrik alan arasındaki değişimleri yorumlamış ve bir teori ortaya atmıştır. Eğer manyetik alan değişimleri elektrik alan oluşturuyorsa, değişen elektrik alanında manyetik alan oluşturması gerektiğini savunmuş, bunun sonucu olarak değişim gösteren elektrik ve manyetik alanların birbirlerini yaratabileceklerini ve bu değişken alanların yayılımının ışık hızında oluştuğunu söylemiştir.Maxwell ışığın elektromanyetik bir dalga olduğunu söylemiş ve yapılan deneyler bunu doğrulamıştır.[20]

Elektrik alan ile manyetik alan zaman ve konumda sinüs eğrileri şeklinde değişirken elektromanyetik dalga elektrik ve ona dik manyetik alan vektörlerinin oluşturduğu düzlemedik olarak yayılır.

Şekil-3.5: Manyetik ve elektrik alanlara dik olarak ilerleyen elektromanyetik dalga.[20]

Işık, elektrik ve manyetizma kendisini elektromanyetik radyasyon olarak ortaya koyar. Bu kitapta okuduklarınız elektrik ve manyetik enerji alanlarının salınımları sayesinde gerçekleşmektedir.

Bundan sonraki yazı dizimizde “ Elektromanyetik Radyasyon ve Işığın Formları  ” anlatılacaktır.

Bu kitabın yayını için izin veren  Sn. Haluk Özgün ve GÜNDER ‘e  ( Uluslararası Güneş Enerjisi Topluluğu Türkiye Bölümü)  Elektrik Tesisat Portalı olarak  içtenlikle teşekkür ederiz