Manyetik Alan Mimarları Helmholtz Bobinleri Nedir? Nerelerde Kullanılır?

Audriusmerfeldas/iStockphoto.com

Tek eksenli Helmholtz bobin sistemi

Birçok bilimsel deney ya da ölçüm çalışmasında araştırmacılar, belirli büyüklükte ve mümkün olduğunca düzgün bir manyetik alana ihtiyaç duyar. Ancak doğadaki manyetik alanlar, Dünya’nın manyetik alanı gibi, çoğu zaman istenen biçimde kontrol edilemez. Bu nedenle bilim insanları, adını Alman bilim insanı Hermann von Helmholtz’dan alan düzenekler kullanır: Helmholtz bobinleri. Bu bobinler, laboratuvar ortamında kararlı, ayarlanabilir ve belirli bir bölgede yaklaşık olarak düzgün manyetik alanlar üretmeyi mümkün kılar.

Helmholtz Bobinleri Nasıl Çalışır?

Helmholtz bobinleri genellikle aynı yarıçapa sahip iki eş bobinden oluşur. Bu bobinler birbirine paralel biçimde yerleştirilir ve aralarındaki mesafe, bobinlerin yarıçapına eşit olacak şeklide ayarlanır. Bobinlerden geçen akım aynı yönde olduğunda, her bobinin oluşturduğu manyetik alan üst üste biner ve bobinlerin tam ortasında büyüklüğü neredeyse sabit kalan yani “düzgün” olarak nitelenen bir manyetik alan oluşur. Bu özellik, deney ve ölçümlerden elde edilen sonuçların güvenilirliği ve tekrar edilebilirliği açısından büyük önem taşır.

Helmholtz bobinleri, dairesel ya da karesel biçimde üretilebilir ancak pratikte en yaygın kullanılan tür dairesel olanlardır. Kullanım amacına göre tek eksenli, iki eksenli ya da üç eksenli modeller tercih edilebilir. Böylece araştırmacılar farklı doğrultularda manyetik alan oluşturabilir ve deney koşullarını hassas biçimde kontrol edebilir. Üretilen manyetik alanın büyüklüğü Gaussmetre (manyetometre) adı verilen cihazlarla ölçülür ve sonuçlar genellikle Tesla veya Gauss cinsinden ifade edilir.

PNWL/alamy.com

 Üç eksenli Helmholtz bobin sistemi

Tek eksenli dairesel Helmholtz bobin düzeneği, aynı merkez ekseni paylaşan iki eş bobinin birbirine paralel biçimde yerleştirilip seri olarak bağlanmasıyla oluşturulur. Bobinlerin seri bağlanması sayesinde her bir bobinden aynı yönde ve aynı büyüklükte bir akım geçer. Bu durum, iki bobinin de eşit büyüklükte manyetik alan üretmesini sağlar. Oluşan bu manyetik alanlar, yönleri de dikkate alınarak vektörel olarak üst üste eklenir ve bobinlerin arasındaki bölgede ortaya çıkan toplam manyetik alan bu şekilde belirlenir.

Nastasic/iStockphoto.com                      

Alman fizikçi Hermann von Helmholtz

Bobinler arasındaki mesafe bobinlerin yarıçapına eşit olacak şekilde ayarlandığında, sistemin oluşturduğu manyetik alan en yüksek değerine bobinlerin tam ortasında ulaşır. Bu noktadan bobinlere doğru ilerledikçe, manyetik alanın büyüklüğü, her iki yönde de simetrik olarak azalır. Helmholtz bobinlerinin deneylerde tercih edilmesinin temel nedeni, bu merkezî bölgede alanın yaklaşık olarak sabit kalmasıdır.

Helmholtz bobinleri, kontrollü ve yaklaşık düzgün manyetik alanlar üretebilme özellikleri sayesinde elektromanyetik girişim testlerinden biyomedikal araştırmalara ve temel fizik deneylerine kadar çok geniş bir kullanım alanına sahiptir.

Helmholtz Bobinlerinin Elektromanyetik Girişim Testlerinde Kullanımı

Günümüzde elektronik cihazların sayısının hızla artması, bu cihazların birbirlerini elektromanyetik açıdan etkileme riskini de beraberinde getiriyor. Bir elektronik sistemin çevresinde bulunan diğer cihazların yaydığı manyetik alanlardan etkilenmeden çalışabilmesi ve aynı zamanda kendisinin de bozucu elektromanyetik girişim oluşturmaması büyük önem taşır. Bu nedenle elektronik sistemler, çevredeki manyetik alanlardan etkilenip etkilenmediklerini ve başka cihazlarda bozucu etki oluşturup oluşturmadıklarını saptamak amacıyla elektromanyetik girişim testlerine tabi tutulur.

Helmholtz bobinleri, istenen büyüklükte ve kontrollü manyetik alanlar oluşturabilme özellikleri sayesinde, bu tür elektromanyetik girişim testlerinde yaygın olarak kullanılır. Özellikle otomotiv ve savunma sanayisinde, elektronik kontrol birimlerinin dış manyetik alanlara karşı dayanıklılığının değerlendirilmesinde önemli bir test aracıdır. Bu sayede cihazların güvenli çalışma sınırları belirlenebilir ve olası elektromanyetik sorunlar henüz tasarım aşamasındayken tespit edilebilir.

Helmholtz Bobinlerinin Biyomedikal Çalışmalarda Kullanımı

Türkiye’de ve birçok ülkede elektrik iletim ve dağıtım sistemleri 50 Hz frekansında çalışır. Günlük yaşamda kullanılan pek çok elektrikli cihaz da aynı frekansta manyetik alan üretir. Bu nedenle insanlar, farkında olmadan düşük frekanslı manyetik alanlara sürekli maruz kalır. Bu alanların insan sağlığı üzerindeki olası etkileri, uzun yıllardır bilim dünyasında araştırılan önemli bir konudur.

Biyomedikal araştırmalarda, belirli bir frekansta ve kontrollü büyüklükte manyetik alanlar oluşturmak kritik öneme sahiptir. Helmholtz bobinleri, 50 Hz gibi düşük frekanslı ve yaklaşık düzgün manyetik alanlar üretebildikleri için bu tür araştırmalarda sıklıkla tercih edilir. Çalışmanın amacına bağlı olarak hücre kültürleri, doku örnekleri, deney hayvanları veya belirli insan uzuvları bu alanlara maruz bırakılır ve manyetik alanın biyolojik sistemler üzerindeki etkileri dikkatlice incelenir.

Helmholtz Bobinlerinin Fizik Deneylerinde Kullanımı

Helmholtz bobinleri, hem çok düşük hem de bazı uygulamalarda daha yüksek frekanslarda manyetik alanlar oluşturmak için kullanılır. Bu sayede, yüklü parçacıkların, özellikle de elektronların manyetik alan altındaki hareketleri ayrıntılı biçimde gözlemlenebilir. Manyetik alanın büyüklüğünün hassas biçimde ayarlanabilmesi, deneysel sonuçların yorumlanmasını kolaylaştırır.

ANDREW LAMBERT PHOTOGRAPHY / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Helmholtz bobinleri ile oluşturulan manyetik alanın katot ışın tüpündeki elektron demetini saptırması

Helmholtz bobinleri, Dünya’nın manyetik alanını belirli ölçüde dengeleyerek azaltma olanağı da sunar. Böylece araştırmacılar, dış manyetik etkilerin en aza indirildiği bir ortamda deney yapabilir. Amaç, manyetik alanı tamamen ortadan kaldırmak değil, deney koşulları için gerekli seviyeye indirmektir. Bu özellikleri sayesinde Helmholtz bobinleri, birçok fizik laboratuvarında temel deney düzenekleri arasında yer alır.

Helmholtz bobinleri sayesinde manyetik alan, yalnızca varlığı bilinen bir doğa olgusu olmaktan çıkar, laboratuvar ortamında kontrol edilebilen bir araştırma aracına dönüşür. Bu da hem temel bilimlerde hem de uygulamalı çalışmalarda daha güvenilir ve karşılaştırılabilir sonuçlar elde edilmesini mümkün kılar.

PUBLIC HEALTH ENGLAND / SCIENCE PHOTO LIBRARY

Helmholtz bobinleri ile oluşturulan düzgün manyetik alan içerisinde cihaz kalibrasyonu yapılması

Kaynaklar:

• Kıvanç, B. 2022. Yüksek Frekanslı Helmholtz Bobin Uygulamaları için Donanım Düzeneği Tasarımı. Yüksek Lisans Tezi. Ankara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
• Elmas, O. 2007. 50 Hz Elektromanyetik Alan Maruziyetinin Kalp Üzerine Anlık Etkisi. Fizyoloji Anabilim Dalı Uzmanlık Tezi. Süleyman Demirel Üniversitesi, Tıp Fakültesi, Isparta.
• Coşkun, Ö., Çömlekçi, S., Koyuncuoğlu, H.R. ve Özkorucuklu, S. 50 Hz-1 mT Manyetik Alanın İnsan Medyan Siniri Üzerine Etkisi, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 15(2), 215-220.
• Coşkun, Ö., Çömlekçi, S., Nazıroğlu, M. ve Özkorucuklu, S. Manyetik Alanın Sıçanlardaki Sinir İleti Parametrelerine Etkileri, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 13(2), 186-192.
• Yang, K.C. 2016. High Frequency Helmholtz coils generate magnetic fields. Web Sitesi: https://www.edn.com/high-frequency-helmholtz-coils-generate-magnetic-fields/, Erişim Tarihi: 15.08.2025

Yazar Hakkında:

Berkay Kıvanç

Elektrik ve Elektronik Mühendisi