HALL ETKİSİ

tkisi

UDK: 538.63

Y azan : Y . Müh. İnanç KAY ALIOĞLU (TRT Kurumu Ankara Radyosu)

ÖZET

Bu yazıda Hail etkisi ve kullanılış alanlarından söz açılacaktır. Genel olarak bir cismtn içinden uniform olarak 1 amperlık bir akım akıyorsa, ve akım akışı doğrultusuna dik olarak B gausiluk magnetık alan tatbik edilmiş ise bu iki doğrultuya dik olan üçüncü doğrultuda bir voltaj gradyanı meydana gelecektir Böylece elde edilen gerilime ıHALL GERİLİMİ* ve bu olaya «HALL ETKİSİ» denir Bu gerilim, uygulanan magnetık alan ve iletkenden ge çirilen akımın çarpımı ile orantılı olduğundan pratikte çeşitli kullanma imkânları sağlar.

TARİHÇE :

Bilindiği gibi akım taşıyan bir iletken, bir nıagnetik alan tarafından kesildiği zaman bir it meye maruz kalır. Bu itme etkisiyle iletken, için den geçen akımın doğrultusu ile magnetık ala nın doğrultusu birbirine dik olacak şekilde ha kılde hareket eder. Bu ilke doğru akım motorla rının ve d'Arsonval ölçü aletinin çalışma prensi bidir, iletkenin hareketine engel olunduğu tak dirde ne gibi olayların meeydana geleceği soru sunu bir yüzyıla yakın bir zaman önce Edward H, Hail, John Hopkıns üniversitesindeki deneme leri sırasında cevaplandırdı.

«Akım taşıyan bir iletken şerit, bir magne tik alan içinde hareketsiz tutulursa bu iletken şeridin karşı kenarları arasında bir potansiyel farkı meydana getirir» (Şekil. 1)

MJkfrNETIK

ALAN

AKIMI

KONTU OL AKIMI

HflLL ÜRETECİ

ALL

Şekil 1 — Hail Geriliminin elde edilmesi

Bu potansiyel farkı, akım akışında magnetik alanın etkisiyle, elektronların iletkenin bir kena rına doğru sapması sebebiyle meydana gelir. (Şekil . 2). Böyle bir sapma için magnetık sap malı cinsten bir katod ışınlı osıloskop tüpü iyi bir örnektir. Ayrıca bazı yarı iletkenlerde pozitif yükler (delikler) majör taşıyıcılardır ve bunlar

Elektrik Mühendisliği 04 ı

da magnetik alan tarafından saptırılırlar. Elek tron veya delik, yüklerin böylece bir tarafta top lanmaları bir potansiyel farkı doğuracaktır.

O z

'O

\

A K I M YONU

Şekil • 2 — Magnetik alanın etkisiyle sapma

Edward H Hail tarafından 1879 yılında, iletken olarak ince bir altın şerit kullanmak su retiyle yapılan bu denemeler sonucunda bulunan bu prensip uzun süre kullanma alanına çıkama dı. Çünkü iletkenlerin düşük olan dirençleri elde edilen Hail geriliminin de küçük olması sanucunu doğuruyordu. Ancak yarı iletkenler teknolojisin deki ilerlemeler bu yeni malzemenin kullanıla bilmesini sağladıktan sonra, gerekli duyarlık ve çıkış temin edebilen Hail elemanları yapmak mümkün oldu

TEORİ :

Hail geriliminin büyüklüğü doğrudan doğ ruya magnetık alanın şiddetine bağlıdır. Elektron lar bir kenara doğru saptıklarından böylece hasıl olan negatif yük aynı kenara daha fazla elektron hareketine engel olmak eğilimindedir. Karşı ko yucu kuvvet, magnetık alan şiddetinin itici kuv vetiyle tam karşılandığı zaman bir denge şartına

erişilmiş , olur. Malzemedeki elektronlara tama men serbest nazarıyla bakılırsa, akım yoğunluğu, i ve tatbik edilmiş olan magnetik ajan B ise, elektriksel alan sebebiyle elektronlardan bin üze " rın& etki eden kuvvet RH i. B. e dir. RH Hail katsayısı birim magnetık alan ve ele alınan mal zemeden akan birim akım yoğunluğunun hasıl ettiği potansiyel gradyandır. e ise elektron yükü dür. Magnetik alan sebebiyle bir elektron üzeri ne etki eden kuvvet B.e.u/c ile verilir. Burada u elektronların ortalama sürüklenme hızıdır, c ise ışık hızını gösterir. Eğer bütün elektriksel büyük lükler elektrostatik birim sisteminde ise bu c, denkleme girer. Elektromagnetik birim sistemin de ise magnetik alanın sebep olduğu kuvvet B.e.u dur. Diğer taraftan i akım yoğunluğu n.e.u çar pmayla belirlidir. Burada n elektron yoğunluğu dur. Elektrik alanın sebep olduğu kuvvet magne tik alanın doğurduğu kuvvetin denge halinde;

Elektrostatik birim sisteminde : RH i.e.B = RH n.u.e2. B = B e.u/c RH =

Elektromagnetik birim sisteminde : RH = l/(n.e) olur.

Bu sonuç metallerde böyleyken yarı iletken lerde RH = 37r/(8.ne) şeklindedir.

Her iki halde de RH gradyanının yönü alcım taşıyıcılarının yükünün işaretine bağlıdır. Böyle ce eğer taşıyıcılar çoğunlukla pozitif yüklü (de lik) ise gradyanın yönü, taşıyıcıların çoğunluğu nun elektron olduğu haldekinin aksidir.

Dikdörtgenler prizması şeklinde bir parça cık düşünülsün. Bu parçacığın boyutları Şekil: 3 de gösterilmiştir. Burada akım yoğunluğu i = I c /2bd dir.

Eğer RH cmVcoulomb olarak ölçülürse Hail potansiyel gradyanı =• 1 0 ~ 8 . R H . I B volt'dur.

Burada görülen RH için daha önce bulunan ifa delerde mevcut olan e elektron yükü 1,6 .1O~19 coulomb'dur.

A ve B noktaları arasındaki Hail gerilimi:

V

2.b.RH B.Ic

2.b d

volt olur.

Eğer elektronlar majör taşıyıcılar ise A, B ye göre negatiftir Magnetik alan ile kontrol akımının birbirine dik olmaması halinde bu iki büyüklüğün arasındaki 0 açısının smüs'ü de denk leme bir çarpan olarak girer :

VH

RH B.TC sin e • 10 8

Burada • VH — Hail çıkış gerilimi (volt) RH = Hail katsayısı (cmVcoulomb)

Ic = Kontrol akımı (amper)

B = Magnetik fluks yoğunluğu (gauss)

$ = I ile B arasındaki açı

d = Malzemenin kalınlığı (cm )

Diğer taraftan

B = 0,4 T . N. I B / t dır Burada •

IB s; Magnetik alanı meydana getiren akım (amper)

N = Sarım sayısı

t = Hava aralığı (cm.)

Bu B değeri yukarda yerine konursa :

VH = K ' I B . I C ifadesi bulunur. Burada :

RH . . N

K =•

. 0,4. ,r .

10~8 .

sine

d

t

dir. Akımları gerilimler cinsinden ifade etmek

de mümkündür. Bu takdirde •

VH = K ' . V B . V C

Burada

K' = K/ ( R B . R c ) dir. RB Alan akımı giriş devresi direnci Rc = Kontrol akımı giriş devresi direnci

Şu halde Hail gerilimi elemanın iki girişine tatbik edilmiş olan akım veya gerilimlerin çar pımıyla orantılıdır.

Şekil : 3 — BIT katı cisimde Hail etkisi.

MALZEMELER: Hail etkisiyle ilgili denemelerde Antımuan, Kobalt, Sodyum, Çinko gibi birçok metalin de

nenmesine rağmen sonuçlar memnuniyet verici olmaktan çok uzaktı. Kullanılan bu malzemelerin bu denemeler için uygun olmamasının başlıca se bebi dirençlerinin pratikteki istekler için yeterli büyüklükte Hail gerilimi elde etmeye imkân ver meyecek kadar düşük olması idi. Buna karşılık daha yüksek dirençli malzeme kullanıldığında ve rim o kadar düşüyordu ki cihaz gerçekten kulla nılmaz oluyordu.

Denemeler sonucunda malzemelerin Hail et kisi kullanılışı için uygun olup olmadığını belir leyen iki faktör olduğu anlaşıldı: Bunlardan bi rincisi yük taşıyıcıların (elektron veya delik) ha reket kabiliyetinin yüksek olmasıdır. Taşıyıcı ha reketliliği tatbik edilen kuvvete verilen cevabı ve dolayısıyla aletin duyarlığını belirttiğinden bunun önemi apaçıktır Bununla beraber yüksek hare ketlilik aletin direncini düşürmeye eğilimlidir. Bu ise empedans uydurma işlemini çok güçleş tirir Bu güçlüğü verimi düşürmekten yenmek için, malzeme seçiminde ikinci faktör olarak, saf malzeme kullanmak suretiyle taşıyıcı sayısını azaltmak yoluna gidildi. Yukarıda RH Hail kat sayısı için bulunan ifadenin yarı iletkenlerde 377/(8ne) şeklinde olduğu hatırlanacak olursa bir malzemedeki taşıyıcı adedi için .

n=

8C.RH

\ahut e nın değeri yerine konur hesaplanırsa:

rı = 7.4 ı o 1 8

Bulunur Diğer taraftan RH = (sin0 = 1)

B. I

olduğundan :

n = 7,4 B.Ic IO1

VH • d Bu denklem taşıyıcıların adedıniB,Ic ,VH ve d bilindiği takdirde kolayca hesaplamaya imkân verir. Eğer iletkenlik de biliniyorsa

a = n.e. uo u = a /n.e = 8 G . R H /3 n = 0,85 R H . <r Olarak bellidir Demek ki RH H a ' l katsayısı için taşıyıcı hareketliliği ve malzemenin iletken liğine bağlı olarak şu ifade bulunmuş oluyor :

R

uo/0,85.

Bazı uo taşıyıcı hareketliliği değerleri aşa ğıdaki tabloda verilmiştir :

Oda sıcaklığındaki taşıyıcı hareketlilikleri

Kristal

delik hareketliliği

elektron hareketliliği

Si Ge Elmas Siyah Fosfor AlSb CdTe Cu2O Ga"As GaSb HgSe HgTe InAs InP InSb PbS PbTe ZnO LıF KC1 KBr NaCl AgCİ

500 19O0 1200

350 100 100

60 200 750

— 100 200 650 1000 350 840 — — — — —

—

1200 3900 1800 220 1200 300 — 4000 4000 10000 10000 30000 3400 70000 — 2100 20 220 10 7 15 40

Bu tablodan görüldüğü gibi elektron ve de lik hareketlilikleri arasında bir fark mevcuttur. Zaten bu fark olmasaydı, Hail etkisi daima sıfır olacaktı.

Hail katsayısı, Hail ünitelerinde kullanılan malzemelerin seçiminde bir değer taşır. Indium Antimonide (InSb) en fazla taşıyıcı hareketlili ğini (Balcırınkinın 2400 misli) ve bundan dolayı bulunmuş malzemeler içinde en büyük verimi haiz olandır. Bununla beraber ısıya çok duyar dır. Bu husus kullanılışını sınırlar. Onun için (InSb) yerine birçok Hail aletlerinde Indium Arsenide (InAs) ya da Indium Phosphide (in AsP) kullanılıyor. Bu malzemeler InSb kadar ve rimli olmamakla beraber taşıyıcı hareketliliği ba kımından germanyum ve silicon'a nazaran çok daha iyidirler. Diğer taraftan ısıya duyarlıkları InSb den daha azdır. Bakırinkinin 850 misli daha fazla taşıyıcı hareketliliğine sahip olan InAs ek si 65 °C ile artı 75 °C arasında tamamen sabit bir karakter göstermektedir.

HALL ÜRETEÇLERİNİN ÇEŞİTLİ İMAL ŞEKİLLERİ

Hail üreteçlerinin kullanma alanlarına göre imâl şekilleri de değişiktir. Genel olarak magne tık alan ölçülerinde kullanılan Hail üreteçleri çok küçük hava aralıklarına sığabilecek şekilde gayet ince olarak yapılmalıdırlar. Aslında bu Hail çıkış gerilimini yükseltmek bakımından da gereklidir.

Çünkü Hail çıkış gerilimi denkleminden de görüleceği gibi elemanın kalınlığı ile çıkış gerili mi ters orantılıdır. Bu bakımdan yarıiletken mal zeme ince bir tabaka şeklinde olup dört kenarı na uçlar eklenmiştir. Karşılıklı uçlardan bir çifti kontrol akımı diğeri de çıkış gerilimi içindir. Bu tabaka ince bir yalıtkan levhaya iliştirilmiş ve hepsi birden bir çeşit reçine ile kapsül haline getirilmiştir. Yarıiletkenin inceliği malzemenin mekanik mukavemeti ile sınırlandığından imalât bazı güçlükler gösterir. Bilhassa InAs ve InSb gibi elemanlar çok kırılıcı olduklarından bunlar cam ya da benzeri maddeler üzerinde ince bir film halinde, vakumda malzeme biriktirme yo luyla imâl edilirler. Kapsül haline getirilmezden önce karşılıklı kenarlara uçlar bağlanır. Bu usul le imâl edilen bir InSb tabakasının kalınlığı sa dece 2 mikrondur Bu üniteler incelikleri ve InSb nin taşıyıcı hareketliliğinin fazla olmasından dolayı çok duyardır. Bazıları amper kilogauss ba şına 2 voltluk gerilim vermektedir. Bu tip birik tirilmiş film şeklindeki imâlatın sağladığı yüzey/ hacım oranının çok büyük olması ısı dağıtilma sı bakımından da avantajlıdır. Bu bilhassa InSb nin daha önce bahsedilen ısıya fazla duyarlık me selesini önemli bir miktarda halleder. Bununla beraber filmin inceliği, elde edilebilen akım mik tarı için bir limit tayin eder. Görülüyor ki pratik maksatlara uygun akımlar verebilen ve bunun ya nısıra boyut bakımından imâli mümkün Hail üret çeleri elde etmek için çeşitli faktörler arasında bir denge durumu aramak gereklidir. Hail üre teçlerinin imâlinde başka bir güçlük de tabaka kenarlarına Hali çıkış gerilimi uçlarının yerleş tirilmesidir. Bu uçların tam eşpotansiyeldeki nok talara yerleştirilmemiş olması halinde, magnetik alan sıfır olsa bile kontrol akımından dolayı kon taklar arasında bir gerilim mevcut olacaktır. Bu etki bir direnç devresiyle giderilebilir. Fakat bu yapılmazsa üreteç yanlış okumaya sebep olacak ve bu hata, akımla artacaktır

Çok küçük hava aralıklarındaki magnetik a lanların ölçülmesi yerine, tam tersine dağıtılmış alanların ölçülmesi istendiği hallerde daha son ra bahsedilecek olan pusula ve alıcı anten kulla nılışlarında Hail üreteçleri gene çok olarak imâl edilmekle beraber duyarlığı arttırmak için eleman iki magnetik alan toplayıcı arasına san döviç şeklinde konur Böylece imâl edilmiş Hail üreteçleri Şekil: 10 ve Şekil: 11 de görülmek tedir. Bunlara ait daha fazla bilgi yeri geldiği za man verilecektir.

Başka bir imâl şekli de Hail etkisinden fay dalanılarak yapılan modülatörlerde görülür. (Şe kil : 9). Burada yeri iletken Hail elemanı ve magnetik alanı temin edecek olan' sargı beraber ce bir silindirik kutuya yerleştirilmiş olup dışa rı çıkarılmış altı uç uygun bir sokete girebilecek

Şekilde ayaklara, bağlanmıştır. (Magnetik alan için bir çift,: kontrol akımı için bir çift ve Hail ç1 kış gerilimi,için.bir çift uç vardır.)

Genel olarak bir Hali üretecinin dört ucu mevcuttur; ve bu uçlar şu şekilde bir renk ko duyla tanınırlar:

Siyah : Kontrol akımı negatif ucu Kırmızı: Kontrol akımı pozitif ucu Sarı : Çıkış gerilimi negatif ucu Mavi : Çıkış gerilimi pozitif ucu

HALL ÜRETEÇLERİNİN KULLANILIŞLARI:

1. Gaussmetreler:

Hail üretecinin en önemli kullanılışlarından biri magnetik alanları tayin etmek ve ölçmektir. Bunda pikap elemanı ile magnetik alan arasında rölatif bir harekete ihtiyaç olmaması, bu maksat la kullanılan diğer aletlere nazaran büyük bir üs tünlüktür. Yalnız kontrol akmının (alternatif ve ya doğru akım olabilir), bilinen bir değerde ol ması gereklidir.

Genel olarak dar hava aralıklarındaki mag netik fluksun ölçmesi istenir. Bu sebepten Hail üretci bir kablo ile Gaussmetre'ye bağlanan bir sonda içine yerleştirilmiştir. Çeşitli kullanma şartları için değişik tipten sondalar geliştirilmiş tir. Bir aralığı boydanboya geçebilen tipten bir sonda, yassı kenarı doğrultusundaki alanları ta yin etmekte kullanılır. Başka bir tip olan ekse nel sondanın ucuna küçük bir Hail üreteci kon muştur. Bu sonda tepesine doğru yönlenmiş alan lar için kullanılır. Çok dar hava aralıklarında ölçme yapmak için kalınlıklar 0,5 mm. kadar olan sondalar gereklidir.

Sonda ile ölçme yapan şahıs, fluks yoğunlu ğunun en fazla olduğu alanı belirleyebildiği gibi, üreteç elemanı magnetik alana dik ıken; Hail çı kışı en büyük değere eriştiğinden, alan doğrultu sunu da tayin edebilir. Bu tipten ölçmeler, trans formatör ve rölelerin civarındaki fluks akışını kontrol ederken çok faydalıdır.

Çok ince ölçmeler için Gaussmetre sondası özel bir sıfır gauss bölmesine konmak suretiyle sıfırlanır. Bu bölme duyar elemanı (0,5 gauss ka dar olan) toprak alanından ve herhangi başıboş magnetik alanlardan korur. Aynı zamanda şidde ti bilinen standard magnet'ler de kullanılarak Gaussmetre kalibre edilir.

Bazı Gaussmetrelerde birbirinden sabit bir uzaklıkta bulunan paralel iki sonda kullanılır. Sistem bir osılatör tarafından beslenir; ve ayrı ayrı iki sabit akım amplifikatörü her bir sonda ya kontrol akımı gönderir. Her iki elemana giden akım sabit tutulur. Böylece çıkışın o noktadaki

magnetık alanla tam orantılı olması garanti edi lir. Bir sondanın Hail çıkış gerilimi ters edilip diğerininkıne eklenir; yani iki çıkışın farkı alı nır. Bu faik garilımı ölçü aletinde görülür. Bu tipten diferansiyel gaussmentreler, ferromagne tik malzemelerde kusurları, anormallikleri ve ka lıcı mıknatısiyeti bulmak ve ölçmekle ilgili olarak magnetik alanın gradyanını bulmak için çok kul lanışlıdır. Dünyanın ki gibi üniform alanlar son danın durumu ne olursa olsun okumaya etki et mezler.

(Belirtmek gerekir ki birçok duyar Gausg metrelerde kontrol akımı olarak alternatif akım kullanırlar. Bu yüzden Hail üreticinin çıkışı da alternatiftir. Alternatif akımı sabit bir seviye de tutmak ve şiddetlendirmek doğru akıma na zaran çok daha kolay olduğu için bu bir avan tajdır.

2. Histerezis eğrisi çizicisi : Hail etkisinin kullanıldığı başka bir alan da magnetik malzemelerin histerezisinin ölçü müdür. Bir magnetik çekirdeğin histerezis eğ risini bilmek bazı hallerde çok önemlidir. Böy lece bu çekirdekteki fluks yoğunluğunun bir alternatif magnetik alanın etkisinde nasıl değiş tiğini görmek mümkün olur. Bu histerezis eğ risini çabuk ve duyarlıkla çizmekte Hail üreteç leri büyük fayda sağlar. Çünkü herhangi bir za man gecikmesi olmadan ani alanları ölçebilir ler; ve histerezis çevresi bir osiloskop ekranın da görülebilir.

Böyle bir histerezis çizicisinin esas eleman ları Şekil : 4 de gösterilmiştir. Denenecek çekir

Şekü : 4 — Histerezis eğrisinin çizilmesi dek, içinden bir alternatif akım geçen bir bo binin ortasına yerleştirilmiştir. Bu akım kont rol akımıyla aynı fazdadır. Bu bobinin sargı devresine konan bir direncin uçları arasındaki gerilim osiloskopun yatay saptırma levhalarına uygulanır. Hail üreteci ise, magnetik alan, üre tece dik olacak şekilde, çekirdeğe değme halin de yerleştirilmiştir. Böylece elde edilen Hail ge rilimi ise osiloskopun düşey saptırma levhaları na uygulanır. Sonuç tipik bir histerezisi eğrisi olacaktır.

Elektrik MühendiBİİftl 94

3. Güç ölçülmesinde Hail üreteçleri :

Bir Hail üreteci, daha önce de bahsedildiği gibi esas olarak bir çarpma işlemi yapar. Çıkışı kontrol akımı ve magnetik alan çarpımyla oran tılıdır. Diğer taraftan güç, akım gerilim çarpı mıyla belirlendiğine göre, devre gerilimiyle orantılı bir kontrol akımı ve devre akımıyla o rantılı bir magnetik alan sağlayarak, devre gü cüyle orantılı bir Hail çıkışı elde etmek müm kündür.

Hail üreteci kullanılarak yapılmış bir watt metrenin genel devresi Şekil : 5 deki gibidir. R direnci devre akımının yalnız bir kesrinin bo binden akmasını, R ise Hail üretecine uygu lanan gerilimin sınırlanmasını sağlar. Bu iki direncin değerleri elbette ölçülecek gücün değe rine bağlıdır. Alternatif akım devrelerinde 50

GUC

YÜK

KAY NAĞI

HALL ÜRETECİ

HALL C I K I $ I 1

Şekil: 5 — Hail Üretecinin Wattmetre ollrak Jcullamlmast ilâ 500 Hz. lik frekanslarda güç ölçebilen pratik bir wattmetrede, magnetik alan hat devresinde ki bir bobinle sağlanmış olup kontrol akımı yük uçları arasına bağlanmış bir kademeli transfor matör vasıtasıyla elde edilir. Çıkıştaki gerilimin iki bileşeni vardır: Bir doğru akım bileşeni bir de uygulanan frekansın iki misli frekanslı bile şen. (Hail üreteçlerinin modülâtör olarak kulla nılması ile ilgili bölüme bakınız). Bunlardan il ki watt ile ikincisi de volt amper'le orantılı dır. Çıkış aleti olarak alışılmış ölçü aletleri ye rine bir osiloskop kullanılırsa Hail etkisi büyük bir çabukluk sağlar. Böylece anî güçleri görmek mümkün olur. Bu, bir devre koptuğu ya da ke sildiği anda hata akımlarının sebebolduğu geçici rejimleri incelemekte çok faydalıdır.

4. Hail etkili Ampermetre :

Öyle devreler vardır ki devreye bir amper metre sokmak için akımı kesmek bazan çok va kit alır, bay.an da imkânsızdır. Örneğin, yüksek akım taşıyan ana bara vs. gibi tesisatta devreyi

açmadan akım ölçülmesi istendiğinde Hail etki li ampermetreler çok kullanışlıdır. Bunun için C seklinde bir çekirdek ana bara'ya çengel şek linde geçirilir. Bu şekilde bara etrafındaki mağ netik alan çekirdeğin hava aralığına konacak bir Hail üretecini etkileyecek miktarda kon santre edilmiş olur. Kontrol akımı (doğru veya alternatif olabilir) sabit bir seviyede tutulmalı dır. Ana baranın etrafında hasıl ettiği mağnetik alan etkisiyle Hail üretecinin doğurduğu geri lim ana bara akımıyla orantılı olacaktır. (Şe kil : 6).

RNR

Şekil . 6 — Hail etkili ampermetrenin çaltşma şekli.

5. Analog Hesap Makinelerinde Hail Ure teçleri :

a) Fonksiyon üreteci olarak kullanılmala rı Hal çıkış geriliminin genel ifadesinde gö rülen sin $ terimi bazı hallerde önemlidir. Şim diye kadar ki kullanılış alanlarında Hail elema nının hareketsiz kaldığını farzetmiştik. Eğer Hail üreteci mağnetik alanda dönecek olursa, kolayca görülür ki, bir sinüs (ya da referans noktasına bağlı olarak cosinüs) biçimi dalga do ğuracaktır. Bilinen fonksiyon üreteçlerinin çıkış genlikleri bir iletken tarafından kesilen kuvvet çizgileri ile doğru orantılıdır. Buna karşılık Hail çıkış gerilim genliği, üretecin dönme hızından bağımsızdır. Bu yüzden çok alçak frekanslı iş lemlerde de iyi sonuçlar verir.

b) Kare ve Karekök almada kullanılmaları — Fizik ve Elektronikteki birçok problemlerde birbirinden bağımsız üç değişkenin kareleri top lamının karekökünün alınması istenir. Basit analog hesap makinaları bu çeşit problemleri çözmek amacıyla yapılır. Şekil : 7 de Hail etkisi esasına dayanan bir analog hesap makinası gö rülüyor. Lineerlik, cevap hızı ve basitlik bakı mından Hail üreteçleri bu iş için çok uygun dur. Çalışma şeklini izah için tekrar

Şekil: 7 — Üç adet kare alıcı Hail elemanı, toplama devresi ve kök alma devresinin bağlama şem'ast.

VH = K.IB . Ic ifadesine dönelim. Burada I p = Ic şartı sağlandığı takdirde VH = K. Ic olur. K sabit olduğundan VH doğrudan doğruya Ic nin karesiyle orantılıdır. Bu şekilde çalışan üç Hail elemanının çıkışları bir toplama devre sine verilirse bu toplama devresinin çıkışında gi rişlere tatbikedilen üç akımın kareleri topla mıyla orantılı bir gerilim meydana gelecektir. Bu gerilim Şekil : 8 deki devreye uygulanarak karekökü alınmak suretiyle problem çözülmüş olur. Bu ikinci devrenin çalışması şu şekildedir :

4,

Şekil 8 — Hail etkili karekök alıcı devre

Devrede görülen Hail elemanı kare alma esa sına göre düzenlenmiştir. Yani mağnetik devresi ve kontrol akımı devresi seri bağlıdır. Bu Hail üretecinin çıkışında olan VH Hail gerilimi bir A diferansiyel amplifikatörünün birinci girişine bağlanmıştır. îkinci girişe ise Şekil : 7 deki top lama devresinin Vo çıkışı tatbik edilmiştir. Bu Vo geriliminin üç akımın karelerinin toplamıyla orantılı olduğunu biliyoruz. Diferansiyel ampli fikatör ( Vo — VH ) farkını kuvvetlendirerek

emetörü topraklı Tx güç amplifikatörünü sürer. Bu amplifikatörün çıkışı ise 1 lâmbasını besler. Bu lâmbanın ışık şiddeti r fotorezıstansmın di rencini tâyin eder. Bu lâmba ile fotorezistansın teşkil ettiği elektrooptık sistem Hail üretecinin giriş ve çıkış devrelerini birbirinden izole etmek suretiyle A amplifikatörünü şiddetli yüklenme den korur. Ortak emetörlü T2 güç amplifikatörü bir gerilim kaynağından elde edilen Hail akımı nı kontrol eder. Bu akım aynı zamanda r in efek tif değeri vasıtasıyla da kontrol edilir. Eğer A amplifikatörüne sıfırdan büyük bir Vo işaret ge rilimi tatbik edilirse, kuvvetlendirilmiş olan bu işaret Tj transistorunun baz'nı iletim bandına sürer ve 1 lâmbasından akan akım r in direncini düşürür. T2 transistorunun baz'ındaki öngerilim azalması Hail üreteci ile seri bağlı olan mağnetik alan doğurucu solenoid'ten bir Iu akımı akması na sebep olur. Böylece A amplifikatörünün birin ci girişinde bir VH Hail gerilimi hasıl olur. IB (= ic ) ve VH in gelişmesi VH = Vo olana kadar devam eder. Böylece :

IB = lc = Wo/K olur. Şu halde Şekil : 7 deki devreye tatbik edi len akımlar sırayla i1( i2, i3 ise Hail üreteçleri nin çıkışlarında bu akımların kareleri ile oran tılı Vı, v2, v3 gerilimleri olacak, toplama devre sinin çıkışında ise Vj + v2 + v3 = Vo gerilimi meydana gelecektir. Şekil : 8 deki devrenin A amplifikatörünün ikinci girişine tatbik edilen bu Vo gerilimi Hail elemanı devresindeki ölçü ale tinden bir IB akımı akmasına sebeb olacaktır. Bu IB akımı neticede ilF i2, i3 akımlarının kareleri toplamının kareköküyle orantılı olacaktır. Böyle bir sebep makinesinin duyarlığı elektrooptik transdüktörün faz kayması ve ısıl histerezisi ya nında ayrıca ferromağnetik çekirdeğin mağnetik histerezisi ve lineer olmamasıyla sınırlanır.

c) Bölme yapmada kullanılmaları — Yu kardaki devreye benzer bir devreyle Hail üreteç lerini analog hesap makinelerinde bölme işlemi yapmakta da kullanmak mümkündür. Bu takdir de Hail elemanının mağnetik alanıyla kontrol a kımı aynı devreden alınmaz, (IB = Ic )• Kon trol akmı dışardan verilir. Diferansiyel amplifi katörün ikinci girişine tatbik edilen gerilim VI ise Hail devresindeki ölçü aletinde okunan IB akmı VH = VI olduğunda :

IB

K.Ir olur.

d) Çarpma yapmada kullanılmaları — Hail üreteçlerinin çarpma yapma özelliğinden daha önce de bahsedilmişti. Uygun bir devreyle Hail üreteçleri iki büyüklüğü çarpmak maksadıyla da kullanılabilir. Bunun için bu iki büyüklüğün

birini mağnetik alan akımı diğerini de kontrol

akımı olarak kullanmak yeter.

6. Hail üreteçlerinin modülâtör olarak kul

lanılmaları :

Hail etkisinin teorisini kısaca incelerken

Hail gerilimi için şöyle bir ifade ile karşılaşmış

tık :

VH = K' . VB. V c Burada VB veVc

gerilimleri sinüsoidal ise

VB = VOB • cos w b t

V c = Voc . cos Wc t ise çıkışta

V H / K . ' = V B . V C = V O B V O C .COSM?b t.COStOc t elde edilir. VOB . Voc = Vo olsun.

VH/K'=(V0/2)[cot(M;e + » b ) t + cos(u>c — Wb)t]

Eğer Vc bir taşıyıcı frekans ve VB de bir modüle edici işaret ise yukardaki eşitlik modüle edilmiş bir dalgayı gösterir.CÖzel olaraktpc =w\, ise bu denklem VH /K = (V0/2) + (V0/2) cos 2ü)t olur( w=Wc =W?b ) Budunun için Güç öl çülmesinde Hail üreteçlerinin kullanılmasıyla il gili 3. bölüme bakınız.)

Modüle edilmiş dalga denklemine bakılacak olursa bu ifadenin iki tane yan band(wc +t©b ), (lOc —10 b) terimi ihtiva ettiği buna karşılık sadece taşıyıcı (wc ) teriminin bulunmadığı gö rülür. Şu halde böylece elde edilen çıkış bir bas tırılmış taşıyıcılı dalgadır. (Şekil: 9a),

NttNETIK

KONTROL flK/MI

HALI

ÖRET6U

HKKnuı şekil : 9 — a) Modülâtör devresi, b) Hail ele manının kontrol akımt ve çıkış gerilimi bağlantı ları, c) Mağnetik alan sağlayan bobin ve Hail elemanının birlikte yerleştirilmesi. 19

Hail etkili modülâtör kullanmak suretiyle çeşitli maksatlara uygun devreler düşünülmüştür. Bu iş için (Şekil : 9b) de görülen fiziksel imâl şekli kullanılır. Dikdörtgen şeklinde bir InAs malzeme bir ferrit disk üzerine yapıştırılmış ve sonra istenen kalınlığı temin etmek üzere incel tilmiştir. Şekil : 9b de görüldüğü üzere dört elektriksel bağlantı yapılmış sonra da bu yarı iletken eleman ile ferrit disk beraberce Şekil : 9c deki gibi mağnetik sisteme eklenmiştir. Yarı ilet kenden geçecek olan mağnetik alan, merkezde bulunan ferrit destek üzerine monte edilmiş olan makaranın sargılarından geçen akımla hasıl edi lir.

Teorik olarak herhangi bir sinyali herhangi bir girişe tatbik etmek mümkündür. Fakat pra tikte taşyıcı frekansı kontrol akımı devresine vermek mağnetik alanı ise modüle edecek işa ret akımı ile sağlamak tecrih edilir. Çünkü taşı yıcı frekans işaret frekansndan daima daha yük sektir. Kullanılan ferrit malzemede çekirdek ka yıpları yüksek frekansta daha fazla olduğundan mağnetik devreyi alçak frekansl akımlarla bes lemek iyi sonuçlar verir. Diğer taraftan yarı ilet ken malzeme esasında saf direnç olduğundan buraya yüksek frekanslı taşıyıcı tatbik etmek bir mahzur doğurmaz.

7. Hail üreteçlerinin alıcı duyar eleman .olarak kullanılmaları :

Çok alçak frekanslarda kullanılan Hail alı cı antenleri çerçeve ve çubuk antenlere nazaran bazı üstünlükler sağlar. 10 Hz. ile 10 KHz. ara sındaki bölgede Hail antenlerinin duyarlık deği şiklikleri ancak 7 db kadarken, çerçeve ve çubuk antenlerde aynı frekans bölgesinde 60 db ka dardır.

Bazı haberleşme ve denizcilik sistemlerinde 10 KHz. in altındaki frekanslarda çalışılır. Çün kü bu alçak frekanslar epeyce büyük çalışma menzili sağlar. Araştırmalar sonucunda Hail et kili elemanların fluks toplayıcılarla birlikte ça lıştırmaları halinde (Şekil: 10) 1 mikrogauss (0,03 V/m lik alan şiddeti) civarında duyarlık sağladıklar^ anlaşılmıştır. Bu duyarliğa erişmek için daha önce de görüldüğü gibi taşıyıcı hare

Şekil : 10 — Fluks toplayıcılarla birlikte bir Hail ahct anten elemanının bazı boyutları

'20

ketliliği en fazla olan InSb yarı iletkeni kulla nılır. Bu takdirde ısıya olan duyarlık da artar. Isıl gürültünün miktarını bilmek bu tatbikatta çok önemlidir. Bunu bulmak için oda sıcaklığın daki ısıl gürültüye En denirse :

En = V4. K. T. R. BG dir. Burada :

K = Boltzmann sabiti T = Kelvin derecesi R = Hail elemanı iç direnci BG = Band genişliği Bilinenler yerine konursa :

En = 1,26 . 10 10 . VR . BG Munzam gürültüler de düşünülürse :

E'n = N R . En Burada NR gürültü oranıdır.

Elektrik alan şiddeti Es ile gösterilirse alıcı aletin minimum duyarlığı

E, m i n = E'n = 1,26 . 1 0 " . N R . V R . B G olur. Görüldüğü gibi bu duyarlık frekanstan ba ğımsızdır. Bir mukayese olmak üzere belirli bir InSb yaprağı kullanılarak yapılmış olan bir Hail anteninin aynı frekans bölgesinde kullanılan çerçeve ve çubuk antenlere göre durumu aşa ğıdaki tabloda gösterilmiştir :

Çeşitli antenlerde birim çıkış veren alan şid detleri :

Çalışma frekansı (Hz.)

Band genişliği v (Hz.)

Giriş V/m. Hail Çerçeve anteni anten

Çubuk anten

10.000 10 2400

0,15

1000 10 2400

1,5

20 10 5200 76

10 10 5300 153

0,13 1,32 66, 132

Çerçeve antene ait büyüklükler : Yükseklik = 15" Genişlik = 15" N = 2 sarım Çubuk antene ait büyüklük : Yükseklik = 15"

Bu tabloda görülen çerçeve ve çubuk anten ler için E, m i n formülleri şu şekildedir :

(Çerçeve) E3 raın = VL/66,3 N. A. Q = y/L BG/66,3 N. A. f (Çubuk) E, m ı n = 1/1010 H. Q. VC~ = BG' 1010 H. f. VC Burada

L = Çerçeve endüktansı (henry) N = Çerçevedeki sarım sayısı A = Çerçeve alanı (m2) H = Çubuk uzunluğu (m.) C = Çubuk kapasitesi (F.)

Elektrik Mühendlsli&i »4

Q = Giriş devresi değer faktörü f = Çalışma frekansı

Bu denklemlerden görülüyor ki giriş devresi band genişliği sabit tutulduğu takdirde Emm frekansla ters orantılıdır. Çerçeve ve çubuğun iç empedansı çok reaktif olduğundan giriş dev resinde harici akord yapılması gereklidir. Bu frekanslar için Q ler yüksektir. Bu yüzden iste nen band genişliğini sağlamak için giriş devre sine ilâve dirençler sokmak gerekir. Çerçeve ve çubuk pick up elemanları bu bakımdan omik bir iç empedansa sahib olan Hail alıcı duyar elemanlarından farklıdır. Hail antenleri bu yüz den geniş band uygulamalarına daha iyi uyarlar. Yalnız Hail antenlerinin sadece alıcı anten ola rak kullanılabildiklerini belirtmek gerekir. Bun larla yayınım yapmak, başka deyimle bunları ve rici anten olarak kullanmak mümkün değildir.

8. Hail etkili pusulalar:

Arktık'te sesli şamandıralarda Hail etkili pusulalar kullanmak suretiyle hareketli, bilgi gönderici şamandıraların yerini tesbit etmekte veya deniz akıntılarının yönü ve hızı hakkında fikir edinmekte büyük kolaylıklar sağlanmakta dır. Diğer tip pusulalarda mekanik kısımların yağlanması önemli bir problemdir. En ufak bir tutukluk bunların kuzeyi göstermelerinde ha taya sebebolur. Buna karşılık Hail pusulaları çok duyardır. Atlantik'te mağnetik kuvvet çizgileri nin yatay bileşeni epey zayıflamış durumda ol duğundan duyarlık ayrıca çok önemlidir. Hail pusulaları ile enlemi yüksek olan yerlerde 0,01 gauss kadar olan yatay mağnetik bileşen detekte edilebilir. (Bu bileşen mağnetik ekvator yakının da 0,4 e kadar yükselir.) Bu hususta yapılan de neme üniteleri 0,001 gauss'un altındaki değerle re kadar mükemmel bir lineerlık göstermişler dir. Bu iş için geliştirilen alet şu şekildedir. 2" lik bir çift, mümetal fluks toplayıcının kutup parçaları arasına sokulmuş olan 2 x 2 x 0,1 mm. boyutunda bir InAsFe eleman aletin esasını teş kil eder. (Şekil : 11). Bu fluks toplayıcıları ele mana doğru hareket etmekle fluks yoğunluğunu

Infls

Şekil : 11 — Pusula olarak kullanılan Hail elemanının fluks toplayıcılarla oirlikte imâl şekil

yüz defa arttırabilirler, tki Hail elemanı bir di kaçı teşkil edecek şekilde yerleştirilmişlerdir. Bu sayede ısı etkisi azaltılır. (Şekil: 12) Pusula nın çıkışı bir darbe gerilimidir. Bu çıkış mağne tik kuzey ile pusulanın referans doğrultusu ara sındaki açının saat yönünde büyümesiyle oran

Şekil . 12 — Hail etkili pusulanın blok diyagramı tılı olarak artar. Bataryayla beslenen ve 2,5 5 KHz. de çalışan bir transistorlu osilâtör Hail elemanlarından birini doğrudan doğruya, diğeri ni de 90" lik bir faz kayması ile besler. Birleşik Hail gerilimi bir mültivibratör devresine veri lir. Bu mültivibratör aynı osilâtör tarafından çalıştırılıp, Hail gerilimi tarafından durdurulur. Böylece elde edilen darbenin genişliği pusulanın dönüş açısıyla orantılıdır. Hail elemani çıkışı nın mültivibratörünkü ile entegrasyonu sonu cunda değişken frekanslı bir çıkış geliştirilir. Bu şekilde örnek olarak 2 volt için 28 KHz. ve 14 voltluk maksimum için 32 KHz. elde edilir.

9. Hail üreteçlerinin diğer kullanma alan ları :

Hail üreteçleri için daha birçok kullanma alanları düşünülmüştür. Bazıları şimdilik sınırlı olarak kullanlmakta, bir çoğu ise henüz deneme' safhasındadır. Örneğin çok küçük doğru akım işaretlerinin ölçülmesinde, bunları daha önce al ternatif akıma çevirip kuvvetlendirerek ölçmek yerine, bir Hail üreteci kullanmak çok daha iyi sonuç vermektedir. Bu iş için bir alternatif mağ netik alan kullanılır; ve doğru gerilim Hail üre tecinin kontrol uçlarına bağlanır. Üretecin çıkışı mağnetik alan ve kontrol akımının çarpımı ile orantılı olacaktır.

Hail üreteçlerinin başka bir uygulama alanı da mikrodalgalar devrelerinde bunların yalıtıcı (isolator) olarak kullanılmasıdır. Bir yalıtıcı dört uçlu, tek yönlü transmisyon aletidir. Amplifi katör olarak kullanılan elektron tüpleri ve tran sistorlar yalıtıcılara birer örnektir. Çünkü tek yönde çalışırlar. Diğer taraftan bir tünel . diodu iki uçlu ve iki yönlü elemandır. Gerçekten tünel diodlarının ortak giriş ve çıkış uçları, çok katlı amplifikatörlerde kullanılmalarını güçleştirmek

tedir. Bugünkü çabalar Hail elemanlarını tünel diodlarla beraber kullanabilmeye yöneltilmiştir. Başarı kazanılırsa her iki elemanın kullanışlılığı diğeri tarafından genişletilmiş olacak böylece giriş çıkış devrelerinin gerekli yalıtımı sağlana caktır

FAY DALANILAN KİTAP VE DERGİLER :

1. D. A. WRIGHT : «Semi conductors». Lon don Methuen and Co. Ltd. Third Edıtion 1958

2. John R. COLLINS : «The Hail Effect». Electronics World p. 39. April 1963.

3. H. H. WIEDER : «Square root computer uses Hail Multiplier» Electronics Jan 24, p 30, 1964.

4. H. H. WIEDER : «Analog Ratio Computer uses Hail Multiplier» Electronics Nov 8, p. 46, 1963.

5. W. A. SCANGA, A R. HELBINGER, C. M. BARRACK : «Hail Effect Multipliers» E lectronics July 15, p. 64, 1960.

6. Cletııs M. "VVTLEY : «Navy tries Solid State Compass». Electronics Feb 14, p. 57, 1964.

7. Albert R. HILBINGER: «New uses for Hail Effect Modulators». Electronics Jan 17, p. 30, 1964.

8. G. J. MONSER : «Pick up devices for very low frequency reception; Hail de vice. Electronics April 14, p. 68, 1961.

9. R A. GRENIER : «Feedback amplification ımproves Hail Effect Multipliers». Electro nics Aug 25, p. 52, 1961.

MALATYA BELEDİYESİ BAŞKANLIĞINDAN

Yevmiyeli personel talimatnamesine göre istihdam edilmek üzere askerliğini yap mış bir mühendis aranmaktadır. İlgililerin belediyemize müracaat etmeleri rica olu nur.

=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=11

m

=

ELEKTRİK Y. MÜHENDİSİ ARANIYOR

III

U!

Kovada Santralı Belediyeler Birliği Başkanlığından :

İÜ

İÜ in

Kovada Santralı için bir adet askerliğini yapmış Elektrik Y. Mühendisi alınacak tır. Taliplerin şimdiye kadar çalıştığı yerleri gösteren belgeleri ile birlikte Belediyeler Birliği Başkanlığı İsparta adresine müracaatları ilân olunur.

i11=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=11111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=111=

Denizli Belediyesi Elektrik, Su, Otobüs İşletmesi Müdürlüğünde 100 lira yevmiyeli

%

Elektrik Y. Mühendisi (Keşif ve Denetçi) kadrosu açıktır.

fc

Yevmiyeli personel talimatnamesi gereğince yevmiye ödenir, isteklilerin adı ge

&»

çen Müdürlüğe müracaat etmeleri rica olunur.

Ş

ETIBANK ŞEBEKE TESİS MÜDÜRLÜĞÜNDEN

Etibank Karadeniz Bölgesi Tesis Başmühendisliğine (Merkez : Tos ya) ve Diyarbakır Bölgesi Şebeke Tesis Başmühendisliğine (Merkez : Mardin) yüksek gerilim trafo merkezleri ve enerji nakil hatları monta jında tecrübesi olan Elek. Y. Müh. ve Müh. leri alınacaktır.

10195 Sayılı Kararnameye göre şantiye ve mahrumiyet zamları ve rilir.

İsteklilerin Selanik Caddesi Işkur Han Kat. 1 Ankara adresindeki Müdürlüğümüze başvurmaları rica olunur.