Eddy akımı

Kavramın kökeni

Eddy Akımı ifadesi, suda kürek çekerken oluşan analojik olarak benzeyen akımlardan ismini almaktadır. Kürek çekerken suda oluşan yerel türbülanslar, anlık kalıcı burkaçlara, diğer ismiyle “Eddi”lere sebep olur. Eddy akımıysa iletkenin kendi indüktansı sebebiyle, analojik olarak benzer anlık kalıcı yükselmelere sebep olmaktadır.

Tarihi

Eddy akımını ilk gözlemleyen kişi Fransa'nın 25. cumhurbaşkanı ki kendisi aynı zamanda matematikçi, fizikçi ve gökbilimci olarak da çalışmaktaydı, François Arago’dur (1786-1853). 
Bu kişi 1824’te, dönel manyetizmayı ve fazla iletken nesnelerin manyetize olabileceğini gözlemlemiştir; Daha sonrasında bu buluşlar Michael Faraday (1791-1867) tarafından tamamlanmış ve açıklanmıştır.
1834 yılında Heinrich Lenz, Lenz Yasaları’nı açıklamıştır. Lenz Yasaları, bir iletken üzerinde indüklenmiş akımın, kendisini oluşturan manyetik alan değişimine karşıt yönde aktığını söyler. Eddy akımı, bu manyetik alana karşı çıkacak şekilde ikinci bir manyetik alan olşturur ve iletken üstündeki akıyı engelleyecek harici akıya sebep olur.
Fransız fizikçi Léon Foucault(1819–1868), 1855’te, eddy akımını bulan kişi olarak tarihe geçmiştir. 1855 Eylül’ünde, bakır bir diski çevirmek için gerekli gücün, normalde çevirmeye oranla, mıknatıslar arasına konulduğunda arttığını ve üstelik disklin çevirdikçe, içerisinde indüklenen Eddy akımı sebebiyle ısındığını tespit etmiştir. Eddy akımının ilk kez yıkıcı olmayan bir testte kullanımı 1879 da gerçekleşmiştir. David E. Hughes bu prensibi, metalürjik sıralama testinde kullanmıştır. .

Açıklama

Direnci sıfır olmayan bir iletkenin üzerindeki eddy akımı, ısı ve elektromanyetik kuvvet oluşturabilir. Bu ısı indüksiyon fırınlarında, indüksiyon ile ısıtma yönteminde kullanılır. Bu elektromanyetik kuvvet ise havada tutma, hareket başlatma/devam ettirme ya da kuvvetli bir fren işleminde kullanılır. Eddy akımının bu pozitif yönleri dışında istenmeyen yan etkileri de vardır, trafoların içerisinde güç kaybı buna örnek olarak verilebilir. Bu tarz bir uygulamada ince katmanlardan oluşan plakaların üst üste sıralanması ve şekillerindeki oynamalarla bu etki en aza indirilebilir.
İletkenin kendiliğinden oluşturduğu eddy akımı, iletken üzerinde cilt etkisi denen fenomene sebep olmaktadır. . Bu etki maddelerin geometrik özelliklerini hasar vermeden test edebilmemizi sağlar, örneğin mikro çatlaklar bu yöntemle tespit edilebilir. Benzer diğer bir fenomense yakınlık etkisidir, bu etki dışarıdan oluşturulmuş eddy akımınden kaynaklanmaktadır.
Bir iletken, ne zaman bir kaynak tarafından oluşturulmuş homojen olmayan bir manyetik alana girse, Elektromotif Kuvvet(EMF) iletkenin içerisindeki halkalarda oluşur. Bu kuvvetler, Faraday’ın indüksiyon kanununa göre iletkenin üzerinde dirence bağlı bir akım oluştururler. Bu akım enerji dağıtır ve eğer materyalin kendi indüktansı varsa kendisini oluşturan alanın değişimine ters yönde, ona karşı gelecek bir manyetik alan oluşturur.
Eddy akımı bir iletken, kendisine etki eden manyetik alan değişikliğinden meydana gelmektedir. Şayet iletken sabit bir manyetik alan içerisinde hareket ediyor veya kendisine etki eden manyetik alan değişiyorsa, iletkenin üzerinde eddy akımı oluşur. Her iki etkinin birleşimini, değişken bir manyetik alan içerisinde hareket eden bir iletken üzerinde gözlemek mümkündür, bu etkinin üst veya alt yüzeyde nasıl oluştuğunu diyagramdan görebilirsiniz. Eddy akımı, bir iletken ne zaman manyetik alanın yoğunluğu veya yönünde bir değişiklik olursa, içerisindeki her noktada meydana gelmektedir, sadece materyalin sınırlarında olmamaktadır.
Bu iletkenin içerisinde sürekli dönen akım, kendi hareketlerine dik olarak Lorentz kuvvetine maruz kalan elektronlardan kaynaklanmaktadır. Bu elektronlar sağa sola, uygulanmış olan alanın yönüne veya gücünün arttığı/azaldığı yöne doğru saparlar. İletkenin direnci, Eddy akımını sönümlerken, aynı zamanda yollarının düzgünleşmesini de sağlar.Lenz Yasasına göre, bu akım kendisini oluşturan manyetik alana karşı çıkacak bir biçimde dalgalanır. Değişken manyetik alan durumunda, eddy akımının oluşturduğu manyetik alan uygulanan değişime zıttır. Bu durum uygulanan alanın büyümesi durumu için, uygulanan alana zıt olacak şekilde manyetik alan oluştururken; uygulanan manyetik alanın belirli bir yönde azalması durumundaysa, eddy akımı uygulanan manyetik alanla aynı yönde olacak şekilde bir manyetik alan oluşturmaya çabalar, diğer bir deyişle azalışa karşı çıkar.
Bir nesne veya nesnenin bir parçası, eğer alana göre bir hareket varsa durgun ve sabit bir yönde alan yoğunluğuna maruz kalırken(Örneğin resimdeki merkezde gösterilmiş alan), şayet eddy akımı nesnenin şekli itibarıyla hareket edemiyorsa istikrarsız bir alana maruz kalır.  Bu tarz durumlarda, ilerleyemeyen yükler birikerek, statik elektrik potansiyel oluşumuna sebep olurlar ve bu daha sonrasında oluşacak diğer tüm akımları da kesecektir. Bu potansiyel başlarda az miktarda akımın oluşumuna sebep olabilir fakat bu akımlar geçici ve çok küçüklerdir.
Eddy akımı, direnç sebebiyle ısı veya kinetik enerji gibi farklı enerji formlarına dönüşen enerji kayıplarına sebep olmaktadır. Bu Joule Isınması, demir çekirdekli trafolar veya elektrik motorları gibi değişken manyetik alandan güç alan araçların verimliliğini düşürmektedir. Eddy akımı bu araçlarda düşük elektik iletkenliğe/yüksek dirence sahip materyaller seçilerek veya üst üste katmanlanmış(laminelenmiş) haldeki iletkenleri kullanarak azaltılmaya çalışılmaktadır. (Bkz. Ferrit). Elektronlar herhangi iki lamine arasındaki boşluktan geçemezler, bu sayede geniş çerçeveler içerisinde değil, daha küçük çerçeveler içerisinde döngülerini tamamlarlar. Yükler bu katmanların sınırlarında birikir. Bu yük, daha fazla yükün birikmesine engel olan bir elektrik alan oluşturur, bu sayede eddy akımını baskılar. Birim alan içerisine, uygulanan manyetik alana dik olacak biçimde ne kadar çok lamine katman sığdırılırsa ve aralarındaki boşluk ne kadar ufak tutulursa, eddy akımı o kadar çok baskılanabilir. 
Giren enerjinin ısıya dönüştürülmesi her zaman istenen bir şey değildir, ancak bazı pratik uygulamaları olabilir. Bu uygulamalardan bir tanesi bazı trenlerde kullanılan  Eddy akımı frenleridir. Frenleme esnasında metal tekerlekler, bir elektromıknatıs tarafından üretilenmanyetik alana maruz kalır ve üstlerinde eddy akımı oluşturur. Bu eddy akımı tekerleklerin içinden geçerken direnç yüzünden ısı açığa çıkar ve bu da tekerlerin yavaşlamasını sağlar. Tekerlekler ne kadar hızlı dönerse yavaşlatma etkisi de o kadar fazla olacaktır. Kısacası tren yavaşladıkça fren kuvveti de azalacak ve böylece daha yumuşak bir fren sağlayacaktır. İndüksiyon ısıtması,eddy akımını kullanarak metal nesnelerin ısıtılmasıdır.

Çekici etkisi

Bazı geometrilerde, toplam eddy akımı çekici bir kuvvete sebep olabilir. Örneğin, elektromıknatısın manyetik akı çizgilerinin yüzeyi 90 derece ile geçtiği durumlarda, yakınlardaki metal üzerinde oluşan akımlar, metalin elektromıknatısa doğru çekilmesine sebep olmaktadır. .

Metallerin birbirlerinden ayrılması

Bozuk parayla çalışan otomatlarda, eddy akımı sahte bozuklukların tespit edilmesinde kullanılmaktadır.  Bozuk para sabit bir mıknatısın yanından geçer ve eddy akımı paranın hızını azaltır.
Eddy akımının kuvveti yani paranın yavaşlamasını sağlayan kuvvet, metalin iletkenliğiyle doğru orantılıdır. Sahte paralarsa, orijinallerinden farklı hızlarda yavaşladıkları için makine tarafından reddedilirler.

Titreme ve pozisyon tespiti

Eddy akımı bazı yakınlık sensörlerinde rulmanı içerisinde dönen bir şaftın titreşim ve pozisyonunu gözlemlemekte kullanılır. Bu teknolojinin kullanımı, 1930ların başında General Elektrik araştırmacıları öncülüğünde, vakum tüp devreleri kullanılarak başlamıştır. 1950 lerin sonunda, katıhal versiyonları Donald E. Bently tarafından Bently Nevada  fabrikalarında geliştirilmiştir. Bu sensörler çok küçük yer değişimlerine dahi hassas bir biçimde tepki verebilmektedirler (milimetrenin birkaç binde biri kadar) ki bu da onları modern turbomakinelerdeki küçük titreşimleri dahi gözlemlemede kullanabilmemizi sağlar. Tipik bir yakınlık sensörü 200mV/mil hassasiyetinde ölçüm yapmamıza olanak tanır. Turbomakinelerde bu kadar çok alanda kullanılmaları, endüstri tarafından kullanım ve uygulama standartlarının belirlenmesine sebep olmuştur.Örneğin, API standart 670 ve ISO 7919.
Ferrari Markasının ivme sensörleri(Ferrari sensörleri olarak da bilinmektedir) temas etmeden eddy akımını kullanarak göreli ivmeyi ölçer.

Yapı testleri

Eddy akımı teknikleri yıkıcı olmayan testlerde çokça kullanılırlar. Büyük boyutlardaki metalik yapıların, örneğin ısı değiştirici tüpler, uçak gövdesi ve yapı malzemeleri, sağlamlıkları bu yolla test edilmektedir.

Yan etkiler

Eddy akımı, AC akım taşınırken iletkenlerde oluşan yüzey etkisinin temel sebebidir.
Benzer şekilde eddy akımı manyetik materyaller üzerinde manyetik alanın büyük kısmının birkaç nüfuz derinliği mesafede hapsolmasına sebep olmaktadır. Bu etki , indüktörler ve manyetik çekirdeğe sahip trafolarda, manyetik akının limitlenmesine sebep olur.