Faraday Kafesi Nedir? Nasıl Çalışır? Nerelerde Kullanılır?

Dış ortamdan gelen elektromanyetik radyasyona karşı koruyucu kalkan olarak kullanılan Faraday kafesinin çalışma mantığını veya teknik tanımını bilmeseniz bile pek çok örneği ile karşılaşmışsınızdır. Sağlık sektöründen, evimizdeki mutfaklara, sahne sanatlarından otomotiv sektörüne kadar hem profesyonel alanda hem de günlük hayatta sıklıkla kullanılır.

Yazımızda Faraday kafesinin çalışma mantığını, kullanım alanlarını ve tarihçesini bulabilirsiniz.

Faraday Kafesi Nedir?

Faraday kalkanı olarak da bilinen Faraday kafesi, içindeki nesneleri hem statik hem de statik olmayan elektromanyetik alanlardan korumak için kullanılan bir muhafazadır.

Elektrostatik yükü dış ortama dağıttığı için herhangi bir nesneye kalkan görevi görür.

Elektrik alanlarından korumak amacıyla içine cihazların ya da nesnelerin konabileceği içi boş iletkenler gibi davranır.

Kafesin aldığı herhangi bir elektrik şoku, kafesin dışından zararsız bir şekilde geçer. Bu bakımdan, elektromanyetik yükün yalnızca kafesin dış yüzeyinde kaldığı bir tür içi boş iletkendir.

Faraday Kafesinin Çalışma Mantığı

Faraday kafesi, elektromanyetik kalkanlama prensibine göre çalışır. Kafese harici bir elektrik alanı uygulandığı zaman pozitif yükler sabitlenirken serbest haldeki elektronlar elektrostatik indüksiyon nedeniyle iletken malzemeler boyunca yeniden dağıtılır. Bunun anlamı, elektriksel kuvvete maruz kalan kafesin zıt ve eşit bir kuvvet ürettiğidir.

Elektronlar, elektriksel kuvvete karşı negatif bir yüke sahiptir. İletkenin toplam elektrik yükü sıfır olmasına rağmen kafesin bir tarafında aşırı negatif yük toplanırken karşı taraf pozitif yüklü kalır. Elektronların bu hareketi, kafesin içinde, dış alana zıt yönde bir elektrik alanının oluşmasına neden olur.

Bu yeniden dağıtılan yükler, karşılığında Faraday kafesinin iç yüzeyindeki voltajı azaltır. Bir Faraday kafesinin kendi iç yüzeyindeki voltajı azaltabilme kapasitesi ise büyük ölçüde iletken malzemenin kalınlığına ve manyetik özelliklerine bağlıdır.

Faraday Kafesinin Tarihçesi

19. yüzyılın önemli bilim insanlarından biri olarak kabul edilen Michael Faraday, kariyerine aslen bir kimyager olarak başlamıştır. Kimyasal bağ ile elektrik arasındaki ilişkiyi göstermiş ve manyetizmanın ışık üzerindeki etkisini keşfetmiştir. Bu anlamda bilime asıl katkısı manyetizma ve elektrikle ilgilidir. 

Teorisini test etmek için metal folyo ile kaplı bir alan yaratmış ve elektrostatik bir jeneratörden gelen yüksek voltajlı deşarjların odanın dışına çarpmasına izin vermiştir. İletken üzerindeki elektronların, iletkenin içindeki alanın etkisini nötralize ederek kendilerini yeniden dağıttığını bulmuştur.

• Faraday Kafesini Kim İcat Etti?

Faraday kafesi, mucidi olan İngiliz bilim adamı Michael Faraday'in adını almıştır. 

Faraday Kafesi ve Paratoner İlişkisi Nedir?

Faraday kafeslerinden bahsederken paratonerin mucidi Benjamin Franklin’e de değinmek gerekir. Franklin, iletken olmayan ipek bir ipliğe bağlı yüksüz bir mantar topunu, elektrik ile yüklediği gümüş bir kutuya asar. Mantar top kutunun dibi ile temas etmesine rağmen elektrikle yüklenmez. Top geri çekilip kutunun kenarına yakın bir yere salladığında ise elektrikli yüzeye doğru çekilir.

1836 yılında ise fizikçi Michael Faraday, elektriğin yalnızca yüzeyde şarj edildiğinde iletildiği gibi başka gözlemler yapmıştır. Metal folyo ile kapladığı bir alan ile işe başlamıştır. Ardından elektrostatik jeneratörü, folyoyu şarj etmek için kullanmış ve bulgularını test ederek doğrulamıştır. Daha sonra odanın içinde, beklediği gibi hiçbir yük olmadığını gösteren bir elektroskop kullanmıştır. Yük, yalnızca folyonun yüzeyine nüfuz etmiştir.

Faraday’in bu gözlemini asıl kanıtlayan, ünlü buz kovası deneyidir. Bu deney, Franklin'in yüklü bir pirinç topunu metal bir kovaya indirdiği fikrin devamı niteliğindedir. Sonuçlar Franklin'inkiyle aynı çıkmıştır. İletken kabuğun içindeki elektrik yükü eşit yükü itmiş ve bu durumda yük tamamen yüzeyde kalmıştır.

Buz kovası deneyi, daha sonra Faraday kafesinin icadıyla sonuçlanmış ve elektrostatik yük üzerine yapılan ilk kesin kantitatif deney olmuştur.

Faraday Kafesi Günlük Hayatta Nerelerde Kullanılır?

Faraday kafesleri günümüzde bir laboratuvar ortamında kullanımının yanı sıra topraklama ve elektronik cihazlar gibi günlük yaşantımızda da bize işlevsel örnekler sunar. Örneğin, arabalar, temelde bir Faraday kafesi gibi çalışır. Aracın ana destek parçası olan şasi, metal çerçeveli yapısı ile araç içindekileri yıldırımdan korumaktadır. Elektrik yükü aracın metal yüzeyinden geçerek toprağa aktarılır. Bu sayede camlar kapalı olduğu sürece araç içindekiler yıldırımdan etkilenmez.

Pek çok bina, tesadüfen de olsa Faraday kafesleri gibi davranır. Binalarda kullanılan beton duvarlar ve diğer metaller, kablosuz internet ağlarını ve telefon sinyallerini engelleyebilir. Faraday kafesinin günlük hayattan bir örneği, mutfaklarda görülebilir. Mikrodalga fırınların içindeki metal gövde, bir Faraday kafesi görevi görür. Böylece fırının içindeki dalgaların dış ortama yayılmasının önüne geçilir.

Çeşitli elektronik ekipmanları, ortamda bulunan diğer elektronik ünitelerden gelen elektromanyetik radyasyondan korunmalıdır. Televizyon için kullanılan koaksiyel kablolar, iç iletkenleri elektrikten korumak ve herhangi bir sızıntıyı önlemek için bir Faraday kafesi görevi gören bakır tellerden oluşur.

Tehlikeli ortamlarda çalışanların giydiği koruyucu giysiler de bir tür Faraday kafesi görevi görür. Bu giysiler, yüksek voltajlı elektrik hatlarına yakın çalışan kişileri elektrik çarpmasına karşı korumak için tasarlanır.

Faraday kafesinin bir örneği de hastanelerde kullanılan MR cihazlarında görülebilir. Harici radyo frekans sinyallerinin hastadan gelen verilerde herhangi bir bozulmaya neden olmasını önlemek için MR tarama odalarında da Faraday kafesleri kullanılır.

Elektromanyetik dalgaları ve radyo frekanslarını engelleyen Faraday çantaları ise Faraday kafeslerinin küçük bir versiyonu olarak pratik kullanım imkanı sunar. İçine yerleştirilen akıllı telefon, laptop gibi herhangi bir elektronik cihazın elektromanyetik darbeler nedeniyle hasar görmesinin önüne geçebilir. Özellikle kablosuz sinyalleri engellediği için casusluk, korsanlık ve izlemeye karşı koruma sağlayabilir. 

Faraday Kafesi Yapımı 

Eğer bir Faraday kafesi yapmak isterseniz, bunu evde rahatlıkla gerçekleştirebilirsiniz. Faraday kafesi yapmanın en kolay yollarından biri; bakır ya da alüminyum gibi iletken levhalar, bant ve makas gibi basit malzemeler kullanarak bir muhafaza alanı yaratmaktır. 

Genel olarak, bir Faraday kafesinin çalışması için topraklamaya ihtiyaç duyulmasa da güvenlik açısından bu işlem gerekli olabilir. Topraklama elektrostatik deşarj akımlarına karşı koruma sağlar ve yalnızca yıldırım gibi çok güçlü akımlara karşı korunmak amacıyla yapılabilir.

Metal bir çöp kovası, kolaylıkla nesneleri koruyabilecek bir Faraday kafesine dönüştürülebilir. Öncelikle kovanın ölçülerine uygun olarak karton kesilir ve kovanın içi boşluk kalmayacak şekilde kartonla kaplanır. Kovanın içine alınacak olan cep telefonu ise alüminyum folyo ile kaplanır. Folyonun kalınlığı önemli olmasa da telefonun birkaç kat sarılması daha fazla koruma sağlar. Telefonun, kovanın metal kısımlarına temas etmemesi de önemli bir noktadır. 

Telefon, çöp kovasının içine alındıktan sonra metal kapak kapatılır. Metal kapağın tam koruma sağlaması içinse yapıştırıcı kullanılabilir. Bu noktadan sonra sinyal kesileceği için telefona ulaşmak mümkün olmayacaktır.

Faraday Kafesi Uçakları Yıldırımdan Korur Mu?

Uçaklar, herkesin Faraday kafesini anlamasına yardımcı olan örneklerden biridir. Kulağa korkutucu gelebilir ancak uçakta yıldırım çarpması alışılmadık bir durum değildir. Uçağa yıldırım düştüğünde, uçağın metal çerçevesi Faraday kafesi görevi görür. Elektrik, kişileri ve uçağın içindeki tüm aletleri güvende tutan gövde boyunca dağıtılır.

Faraday kafesinin günlük hayatta bu kadar yaygın kullanıldığını biliyor muydunuz? Yakın çağın önemli buluşlarından biri olan Faraday kafesi hakkında çevrenizi de bilgilendirmek için yazımızı paylaşabilirsiniz.