Yaşamımızın bir noktasında Faraday Kafesinde hatırı sayılır bir zaman geçirmiş olma ihtimalimiz yüksektir. Binalarımızda, iş yerlerimizde hatta evimizin mutfağında bile bulunan Faraday Kafesi nedir? Nasıl çalışır? Sizler için inceledik.
1800’lü yıllarda Michael Faraday, üstün zekasını elektrik araştırmalarına adıyordu. Yaptığı araştırmalar esnasında bir iletken küreyi (veya kafesi) elektrik ile yüklediğinde iletkenin, yükü yalnızca yüzeyinde sergilediğini, iç kısmı üzerinde hiçbir etkinin oluşmadığını fark etti.
Michael Faraday bunu daha geniş ölçekte göstermek için yola çıktı ve 1836’da iddialı bir deney tasarladı.
Efsanevi deney sırasında Faraday, bir odayı metal bir folyo ile kapladı. Daha sonrasında ise elektrostatik bir jeneratörden yüksek voltajlı deşarjların, atlamaların, odanın dışına çarpmasına izin verdi.
Hipotezini kesin olarak kanıtlamak isteyen Faraday, elektroskop (elektrik yüklerini tespit eden bir cihaz) adı verilen özel bir cihaz kullanarak bu deneyinden bir sonuç elde etti. Hesaplamaları doğrultusunda odanın elektrik yükünden tamamen yoksun olduğunu ve metal folyonun yalnızca dış yüzeyinin akım ilettiğini, akımın iç kısma geçmediğini doğruladı.
Faraday Kafesi Nedir?
Yağışlı bir havada iş yerimizden çıkıp arabamıza doğru yürüyor olduğumuzu hayal edelim. Yolumuz çukurlar ve ağaçlar içersin. Yıldırım düşmesi halinde bulunmamızın en güvenli olacağı yer neresidir ? Çukur olan yere saklanmak mı, ağacın yanına sığınmak mı yoksa demir yığını olan arabamızın içine girmek mi bizi güvende tutar ? Cevap şaşırtıcı olsa da arabanın içine girmek, yıldırımın oluşturacağı ölümcül etkiden bizi korur. Çünkü araba Faraday Kafesi görevi görür. Faraday Kafesi, içerisinde bulunan nesneleri elektromanyetik alanlardan (hem statik hem de statik olmayan) koruyan kalkan görevi üstlenen bir muhafazadır.
İletken yapılı içi boş bir küreye dışarıdan elektriksel bir etki yapılması durumunda -bu elektriksel etki dışarıdan müdahale ile küreyi yüklemek veya bir elektrik alanının içerisine koymak olabilir- yükler kürenin dış yüzeyine düzenli bir şekilde dağılır fakat yüklerin iç yüzeyi nötr olur. Bunun sebebi iletkenlerin elektrostatik denge halinde olmalarından kaynaklanmaktadır. Ayrıca bahsettiğimiz durum herhangi bir geometrik şekle sahip iletken için de geçerlidir ve her tarafı kapalı olan cisimlerin yanı sıra -Faraday Kafesinin de adını aldığı gibi- kafes biçiminde olan cisimler de bu kuralı sağlar.
Katı iletkenlerde sadece durgun elektrik alan bulunur. Serbest elektronlar, bir elektrik alanla karşılaşırsa alan içerisinde kendilerine bir kuvvet etki etmeyinceye kadar hareket ederler ve bu süreç içerideki elektrik alan sıfırlanıncaya kadar devam eder. Başka bir deyişle, GIF’de görüldüğü üzere elektrik alan içerisine konulan içi boş bir iletken cisim, içerisinde kendisine etki eden elektrik alana zıt yönde ve onu absorbe eden karşıt bir elektrik alan oluşturur. Böylece içerideki elektrik alan sıfır olur. Bunun sonucunda ise ortaya içerisinde bulunan nesne veya canlıyı dış dünyadan elektriksel olarak izole etmiş, yalıtmış Faraday Kafesi ortaya çıkmış olur.
Faraday kafesinin içi, açıkladığımız gibi elektriksel olarak yalıtımlı olmasından ötürü üzerinden yüzbinlerce voltun geçmesine izin verilse dahi içerisinde bulunan canlı bundan etkilenmeyecektir. Bu durum içerideyken kafese dokunmamız halinde de geçerliliğini korur. Kafes iletkeninin yalnızca dış kısmı elektrik ile yüklüdür, iç kısmı normal şartlarda asla yüklenmez ve nötr olur.
Faraday Kafesinin çalışma mantığına değindiğimize göre şimdi ise günlük hayatımızda nerelerde karşımıza çıktığına örneklerle bakalım.
Faraday Kafesi Gerçek Hayatta Ne İşe Yarar?
Faraday Kafesi elbette sadece deney malzemesi olarak kullanılmaz, birçok farklı amaca hizmet eder. Biz bazen farkında olmasak da günlük hayatımızda Faraday Kafesi ile çokça karşılaşırız.
En ilginç olanını söylemeden önce çok sık karşımıza çıkan, bazı asansörlerde telefon çekmemesi sorunu asansör kabininin aslında bir Faraday Kafesi olmasından kaynaklanır. Bu elektrostatik kalkan yüzünden cep telefonlarımız bazı asansörlerde hat dışı kalır.
Televizyon ve internet uydu kablolarının dış plastik kaplamalarının altında neden iletken bir örgünün olduğunu hiç merak ettiniz mi ? Televizyonlarımıza gelen yayın sinyallerinin dışarıdaki diğer elektromanyetik alanlardan etkilenip bozulmaması için uydu kabloları metal örgü ile kaplanır. Tahmin edileceği üzere buradaki mantık da Faraday Kafesi mantığından farklı değildir.
SpaceX firmasına ait Falcon 9 roketlerinin fırlatma rampasında roketi çevreleyen dört kule, dev bir Faraday Kafesi gibi davranan yıldırım siperi görevi görür.
Ceza soruşturmalarında kurtarılmış kablosuz cihazların uzaktan silinmesini, değiştirilmesini engellemek için veya genel halk tarafından veri hırsızlığına karşı tedbir amaçlı kullanılan Faraday çantası, esnek metalik kumaştan yapılmış bir tür Faraday Kafesidir.
Arabaların kaportası ve uçakların gövdesi de iletken malzemelerden oluşup içerisindeki nesneyi veya canlıyı çevrelediği için bir Faraday Kafesi görevi görür ve yıldırım çarpması durumunda içeriye bir zarar gelmez.
Arabalar ile ilgili bir diğer ilginç durum da şudur ki; arabaların antenleri kasıtlı olarak arabanın dış kısmına takılır. Eğer içerisine takılsaydı radyo dalgaları antene ulaşamazdı dolayısıyla radyo çalışmazdı.
Gizli kalması gereken bilgilerin konuşulduğu veya kablosuz olarak aktarılan verilerin dışarısı ile izole edilmesinin gerekli olduğu durumlarda odaların veya yapıların duvarları iletken malzeme ile kaplanıp Faraday Kafesi oluşturulur. Böylece uzaktan dinlenme veya uzaktan veri çalınması gibi durumların önüne geçilmiş olur. Buna “elektrostatik perdeleme” adı verilir.
Elektrik santrallerinde yüksek gerilimden korunmak için Faraday kalkanı oluşturulur.
Hastenelerde bulunan tomografi odalarının duvarları dışarıya radyasyonun geçmemesi için iletken plakalarla kaplanır. Bu da görüldüğü üzere Faraday Kafesi örneğidir.
Kilometrelerce uzanan yüksek voltajlı elektrik hatları, bağlantıları olmasa bile kendi başlarına tehlikeli miktarda statik yük biriktirirler. Bu hatlarda çalışan kişiler paslanmaz çelik ve bakır elyaftan yapılmış Faraday Kafesi mantığıyla koruma sağlayan elbiseler giyerler.
Mikrodalga fırınlar, ürettiği mikrodalgaları içinde hapsolacak şekilde tasarlanmıştır. Bu da pek tabii mikrodalga fırınların da faraday kafesi olması sayesinde olur. Böylece bize uzun vadede zarar verebilecek mikrodalga ışınlar büyük ölçüde dışarı çıkamaz.
Faraday Kafesi, kararlı ve yavaş değişen manyetik alanları engelleyemez. Dünya’nın manyetik alanı kararlıdır ve yavaş değişir. Dolayısıyla bir pusula Faraday Kafesinin içerisinde olsa dahi çalışmaya devam edecektir.
Kaynaklar
https://www.youtube.com/watch?v=CrAPl1TBSVw