Marx Jeneratörü Nedir? Nasıl Çalışır?

Elektriğin yüksek gerilim alanı altında incelenen bir dizi elektriksel olayları konuşacağımız bu yazıda marx jeneratörleri ev sahipliği için uygun bir örnektir. Hepimiz yağmurlu bir havada gök yüzünü aydınlatan şimşek ve yıldırımların çıkarttığı, sert katı bir cismin kırılmasına benzer sesleri duymuşuzdur. Bu olayın altındaki fiziği ve yüksek gerilimle ilgili daha fazlasını anlamak adına elektriksel boşalma, yalıtkanların davranışı, delinme gerilimi, yüksek gerilimin üretilmesi konularını marx jeneratörleri üzerinde inceleyecek bunu yaparken de bildiğimiz rezistans, kapasite, gerilim gibi fiziksel büyüklüklerin olay üzerindeki rolünden bahsedeceğiz.

A- A+

19.03.2020 tarihli yazı 10763 kez okunmuştur.

Marx Jeneratörü Nedir?

İsmini mucidi olan Alman Elektrik Mühendisi Erwin Otto Marx’tan alan elektrik devresi çok yüksek gerilimdeki elektrik darbesinin üretildiği devredir. Burada jeneratör kelimesinin, enerji türünün kendisinde yapılan bir değişimden ziyade enerjinin aktarılışında yapılan bir değişimden dolayı kullanıldığını söyleyebiliriz.

Kullanım Alanları:

Yüksek enerji deneyleri ve yıldırım simülatörleri yaygın kullanım alanları arasında olmakla birlikte nükleer bir silahın patlatılmasından darbeli radarların elektrik devreleride kullanım alanları arasındadır. Görüleceği üzere bu devre gerçekten çok yüksek gerilimler ürettiği için labaratuvar gibi spesifik hedeflerin üzerinde çalışılan alanlar dışında sık kullanılmaz. Yani gündelik hayatımızda kesinlikle karşılaşmayız.

► İlginizi Çekebilir: Dizel Jeneratör Nasıl Çalışır?

Nasıl Çalışır?

► Şarj ve deşarj olayı:

Bir Marx Jeneratörü, önce kapasitörleri paralel olarak yükleyerek ve daha sonra seri olarak boşaltarak yüksek gerilim darbeleri üretebilen, bir merdiven yapısında düzenlenen kapasitörlerden, dirençlerden ve kıvılcım boşluklarından oluşan bir elektrik devresidir.

Kapasitörler bilindiği üzere elektrik enerjisini iki iletken levha arasında elektrik alan olarak depo edebilen elemanlardır. Doğru akım ile beslendiğinde bir kapasitör, iletken levhalarının arasındaki dielektrik malzemenin yalıtkanlığını koruyabildiği maksimum potansiyel fark kadar potansiyel farkı üzerinde zarar görmeden tutabilir. Sistemi doğru akım ile beslemek önemlidir çünkü darbenin üretiminde sistemin yük potansiyelinin yüksek olduğu bir anda gerçekleşek deşarj rol oynayacaktır. Paralel olarak bağlananan kapasitör sığalarının aritmatik toplamı devreninin toplam sığasıdır. Ve bu sığanın şarjı tamamlanmadan deşarj olayı gerçekleşmeyecektir. Havayı ya da kıvılcım aralığının başka bir dielektriğini parçalayacak ya da iyonlaştıracak kadar yüksek bir voltaj kıvılcım aralığının üzerinde iletime neden olur ve bir yüklü kapasitörün bir başkasına seri olarak bağlanmasını sağlar. İki veya daha fazla yüklü kapasitörün seri olarak bağlanması işlemi, jeneratörün montajını oluşturur. Bu iletimin doğru bir senkronizasyonla gerçekleşebilmesi için kapasitörlerin dayanabileceği en yüksek gerilimin, deşarjın başlayacağı hava aralığının delinme geriliminden düşük olması sağlanır. Bu şart ilk hava aralığının mesafesinin devrenin geri kalanına kıyasla daha kısa seçilmesi ile sağlanır. Paralel olarak bağlanan her bir kapasitörün bacakları arasına dirençler bağlıdır. Dirençlerin rezistansları ve kapasitör sığalarının çarpımı devredeki her kapasitör basamağı için Rc zaman sabitini verir ve her bir kapasitör bu zaman sabitine bağlı olarak dolar. Burada şu soruyu sorabiliriz. Kapasitörlerin daha hızlı dolması çıkışta oluşacak elektrik darbesinin frekansını yani darbe sıklığını arttıracak ise neden direnç kullanıyoruz ki ? Haklısınız, ancak hatırlayın ki kapasitörler birbirlerine paralel bağlı olduğu için deşarj öncesinde hepsinin üzerindeki voltaj kaynak voltajına eşittir. Ve mümkün olduğunca senkronize bir deşarj istiyorsak kapasitörlerin seri bağlanıp yük transferini gerçekleştirdikleri esnada paralel bağdaki dirençlerin adeta açık devre gibi davranıp yükün tamamının iyonize olmuş havadan boşalmasına izin vermelerini isteriz. Yani dirençler ile deşarj süresine bir üst limit belirleyebiliriz. Kapasitörlerin hepsi dolup birinci hava aralığı için delinme gerilimine ulaşıldığında hava iyonize olarak ilk kapasitörü diğerine seri bağlar. Diğer kapasitöre aktarılan yük, kapasitörün üzerinde 2V lik bir gerilim oluşturur. Sonuçta çıkışta kapasitör sayısı ile besleme geriliminin çarpımı değerinde bir gerilim oluşur.

► İlginizi Çekebilir: Jeneratör Soğutma Sistemleri Nelerdir?

► Delinme Gerilimi Ve Paschen Yasası:

Yalıtkan malzemeler, yapılarındaki serbest elektron sayısının iletkenlerinkine kıyasla çok az sayıda olması nedeni ile elektriği iletmezler. Ancak üzerlerine uygulanan gerilim çok yüksek ise yapılarındaki az miktarda serbest elektron kopmaya başlar ve akımı iletirler. İşte malzemenin ne zaman iletken davranış göstereceğini belirleyen bu gerilime delinme gerilimi denir. Yalıtkan olarak hava kullanılan bir Marx jeneratörünün de bu hava boşluğununda akımı iletir hale geleceği bir üst gerilim limiti vardır. Bu limit değerine ulaşıldığında hava molekülleri iyonize olarak elektrik arkının oluşması ve seri bağlantının kurulması mümkün olur. Bu iyonize olma işlemi maddenin plazma haline geçişinin ürünüdür.

Pashen yasası olarak bilinen yasa maddenin gaz yapısı üzerinde delinme geriliminin hesaplanabilmesine yarayan bir eşitlik orta koyar.

p: Gaz basıncı d: Mesafe

Yukarıdaki denklemde iki elektrot arasındaki atlama voltajının elektrotlar arasındaki mesafe ile aralarında bulunan gaz basıncının çarpımlarıyla doğru, bu çarpımın euler logaritma tabanındaki değerleriyle ise ters orantılı olduğu görülür. Bu denklemden anlamamız gereken kısaca şudur. Mesafe basınç çarpımı artarken uygulamamız gereken voltaj bir noktaya kadar azalacak sonrasında bu çarpım artmaya devam ettikçe ihtiyaç duyulan gerilimin büyüklüğü hızla artacak. Şekildeki eğriler bazı moleküllerin delinme gerilimlerinin basınç ve mesafe ile ilişkisini gösterir.

Hava gazı karışımı için 7,5 µm mesafede ark oluşturmak için gereken voltaj 327 V'tur. 3,5 µm boşluk için gerekli voltaj 533 V'tur. 1mm boşlukta ark oluşumu için ise yaklaşık 1000 V gerekir.

Bu şekilde kapasitörler yardımıyla elektriğin aniden deşarj edilerek darbe sinyalleri üretmenin başka yollarıda vardır. Marx jeneratörü yeniden tasarlanabilir. Darbe akımının yükseltilmesi için transistörler kullanılabilir, hava boşlukları yerine farklı bir yalıtkan kullanılabilir veya tetikleme işlemi farklı bir kaynağın ürettiği dc gerilim ile gerçekleştirilebilir.

Örneğin Varşova Askeri Teknoloji Üniversitesinden elektrik mühendisleri deşarj süresinin ve çıkış geriliminin transistörler ile kontrol edildiği bir marx jeneratörünün matematiksel modelini oluşturdular.

Yazar:Yusuf Alperen Üzgüç

KAYNAK:

► scholar.google.com.tr
► instructables.com
► journals.aps.org
► wikipedia.org