Faraday Kafesi

Güncelleme 15/06/2020

Faraday kafesi, elektriksel iletken metal ile kaplanmış veya iletkenler ile ağ biçiminde örülmüş içteki hacmi dışardaki elektrik alanlardan koruyan bir muhafazadır.
Bu kafes sayesinde elektrik alanın içeri girmesi ve dışarı çıkması engellenmiş olur. Faraday kafesi, ilk olarak İngiliz fizikçi Michael Faraday tarafından bulunduğu için Faraday kafesi olarak adlandırılmıştır.

İdeal bir Faraday kafesi, kesintisiz iletkenlerden oluşmalı ve kabuk şeklinde korunacak nesneyi sarması gerekmektedir. Bu ideallik pratikte yakalanamaz, fakat iyi örülmüş bakır bir ağ ekranıyla ideale yaklaşılabilir. En iyi performans için kafesin doğrudan toprağa bağlanmış olması gerekir. Ağ gözleri ne kadar dar olursa Faraday kafesinin elektromanyetik dalgalara karşı geçirmezlik oranı da o kadar büyük olur.

Faraday Kafesinin Çalışma Prensibi

İletken malzemeleri oluşturan atomların en dış yörüngelerindeki değerlik (valans) elektronları, atomlarından kolayca ayrılarak hareket etme yeteneğine sahiptir. Dolayısıyla; kapalı bir yüzeye sahip olan iletken bir cisim elektrik alanı içerisine yerleştirildiğinde bu elektronlar, iletkenin içerisindeki elektrik alanı sıfırlanıncaya kadar hareket eder ve bir ‘yeniden dağılım’a uğrarlar.
Elektrik alanın sıfırlanmasıyla birlikte, hareket etmelerinin gerekçesi ortadan kalkmış olur. Faraday kafesi bu ilkeye göre çalışır ve içindeki nesneleri dış elektrik alanlara karşı korur. Dolayısıyla ideal olarak
Faraday kafesi; topraklanmış, içi boş metal bir küre gibi kapalı bir iletken yüzeyden oluşur.
Ancak iletken yüzey sürekli olmak yerine, kafes şeklinde de imal edilebilir. Bu durumda kafes aralıklarından bir miktar elektrik alanı içeriye sızacak, fakat aralıklar yeterince küçük ise bu bir sorun oluşturmayacaktır. Öte yandan geometrinin küre olması şart değildir. Kapalı herhangi bir yüzey, kafes görevini yerine getirebilir.

İletkenlerde yük dağılımı nasıldır?

İletkenlerde dıştaki elektronların atomların çekirdeklerine bağlı olmadıklarını ve tüm iletken boyunca rahatça hareket edebildiklerini öğrenmiştik. Bir iletkenin içinde (ve yüzeyinde yani her yerinde) yüklerin net hareketi yoksa (yani yükler durgunsa), bu iletken elektrostatik denge halindedir. Elektrostatik denge durumundaki bir iletken şu özellikleri gösterir:

1. İletkenin içinde her yerde elektrik alan sıfırdır

Elektrik alan bir yükün etrafındaki uzayı değiştirmesidir demiştik, elektriksel kuvvetin aracısı olduğunu da söylemiştik. Şimdi bir iletkeni dıştan uygulanan bir elektrik alanın içine yerleştirdiğimizi düşünelim. İletkenin içindeki yüklere ne olur?

Yukarıdaki resimde bir iletken blok dış bir elektrik alana (E) yerleştirildiğinde iletkenin içindeki elektrik alan sıfır olmak zorundadır. Çünkü iletkenin elektrostatik dengede olduğunu biliyoruz. Eğer iletkenin içindeki elektrik alan sıfır olmasaydı, iletkendeki elektronların hareket etmeye devam etmeleri gerekirdi. Çünkü iletkenin içindeki elektronlara bu elektrik alan bir kuvvet uygulardı (F = qE). Newton’un hareket kanunlarından üzerinde net kuvvet olan cisimlerin ivmeleneceğini biliyoruz. Bu durumda elektronları elektrik alanın uyguladığı kuvvet ivmelendirirdi. Eğer elektronlar ivmeleniyorsa hareket ediyorlar demektir, ama elektrostatik denge yüklerin hareketsiz olmalarını gerektirir. Dolayısıyla elektrostatik denge ancak ve ancak iletkenin içinde elektrik alanın sıfır olmasıyla mümkündür.
Peki iletkenin içinde elektrik alanın sıfır olması nasıl gerçekleşiyor? Dış elektrik alan uygulanmadan önce iletkendeki serbest elektronlar iletkenin her yanına (içine ve yüzeyine) düzgün bir şekilde dağılmış haldedir. Dış elektrik alan uygulandığı anda serbest elektronlar, yukarıdaki resimde gösterildiği gibi, sola doğru ivmelenir, çünkü elektronlara elektrik alan bir kuvvet uyguluyor (F = qE). Bunun sonucu olarak iletkenin sol yüzeyinde eksi yükler toplanır. İletken bloğun sol yüzeyinde ise bu elektronların yalnız bıraktığı metal iyonlarının oluşturduğu artı yük fazlalığı kalır. Ayrışan artı ve eksi yükler metalin içinde, dış elektrik alana zıt yönde bir tepki elektrik alanı oluşturur (E’). İletkenin içinde dış ve iç elektrik alanların vektörel toplamı sıfır olur(E – E’ = 0). Bu süreç 10^-16 saniye gibi çok kısa bir zaman aralığında gerçekleştiği için neredeyse anında olduğunu söyleyebiliriz.

2. Eğer bir iletken yüklenmişse, yükler sadece iletkenin dış yüzeyinde bulunur

İletkenin içinde elektrik alan sıfır olduğuna göre, yükler yalnızca iletkenin dış yüzeyinde bulunabilir. Eğer nötr (yüksüz) bir iletkene dışarıdan yeni yük eklerseniz (dokunma ile elektriklenme yapabilirsiniz örneğin), yeni eklenen yükler de çok hızlı bir biçimde iletkenin dış yüzeyine dağılır ve orada sabitlenir. Ne kadar yük eklerseniz ekleyin iletkenin içinde net yük olmaz, tüm yükler dış yüzeyde toplanır. Ayrıca iletkenin iç yüzeylerinde de yük olmaz.

Yukarıdaki resimde içi dolu (bir gülle gibi düşünün) iletken bir küreye fazladan yük eklendiğinde, yükün tamamının kürenin dış yüzeyine dağıldığı gösteriliyor. İletken kürenin iç hacminde hiç yük yok, kürenin içi yüksüz.

Yukarıdaki resimde ise içi boş (metal bir futbol topu gibi düşünün) bir metal küreye dışarıdan yük eklendiği zaman tüm yükün metal kürenin dış yüzeyine dağıldığı gösteriliyor. Metal kürenin (kabuğun) iç yüzeyinde hiç yük yok, iç yüzey nötr.

Yukarıdaki resimde bu kez içi boş silindir şeklinde bir iletkenin (boş konserve kutusunu düşünün) iç yüzeyine yüklü bir cisim dokunduruluyor. Resmin solunda silindire yandan, sağında üstten bakıyoruz. İletken silindire aktarılan yükler çok hızlı bir şekilde (neredeyse anında) silindirin dış yüzeyine hareket edip orada sabitleniyor; silindir elektrostatik dengeye ulaşıyor. İletken silindirin iç yüzeyi yüksüz (nötr).

3. İletkenin dış yüzeyindeki elektrik alan daima yüzeye diktir, yatay bileşeni sıfırdır

Eğer iletkenin yüzeyindeki elektrik alanın yatay bileşeni olursa, yüklere yatay yönde bir kuvvet uygular (F = qE), bu da yüklerin ivmelenmesi anlamına gelir. Ama iletkenin elektrostatik dengede olması gerektiğini, dolayısıyla yüklerin hareketsiz olması gerektiğini biliyoruz. Öyleyse, yatay yönde bileşke kuvvetin sıfır olabilmesi için, iletkenin yüzeyindeki yatay yönde elektrik alanın da sıfır olması gerekir.

4. Düzgün biçimli olmayan bir iletkenin sivri uçlarındaki yük oranı sivri olmayan bölgelerine göre daha fazladır

İletkenlerin içindeki elektrik potansiyelin sabit olduğu çıkarımını yaptığımız zaman (11. sınıfta), bunun sonucu olarak rastgele şekilli bir iletkende yük yoğunluğunun en çok sivri uçlarda olacağını öğreneceksiniz. Bu sınıf seviyesinde hoşuma gitmese de sadece bana inanın bu böyle diyebiliyorum. Ama elektrik potansiyeli öğrendiğinizde açıklamayı da öğreneceksiniz.

Faraday kafesi nasıl çalışır? İletkenlerde yük dağılımı ile ilgisi nedir?

Yukarıdaki örneklerde içi boş iletken bir silindirin (boş konserve kutusu gibi) üzerindeki yüklerin sadece dış yüzeyine dağılacağını gördük. Ayrıca elektrostatik dengedeki iletkenlerin içinde elektrik alanın her zaman sıfır olacağını da öğrendik. Bu iki bilgiyi birleştirince, içi boş silindirin içinde elektrik alanın sıfır olmak zorunda olduğu sonucuna varıyoruz. Üstelik içi boş iletkenin illa silindir şeklinde olması da gerekmiyor, küre de olur, küp de, hatta iletken cismin şekli düzgün olmayabilir de (alüminyum folyoyu hatırlayın). Şimdi böyle içi boş bir kutuyu bir dış elektrik alana yerleştirince neler olduğunu inceleyelim.

Yukarıdaki resim içine henüz iletken kutu yerleştirilmemiş durumdayken dış elektrik alanı gösteriyor. Kesikli çizgilerle gösterilen bölgeye içi boş metal kutuyu yerleştireceğiz.

Yukarıdaki resim içi boş iletken kutu dış elektrik alana yerleştirildiğinde neler olduğunu gösteriyor. Başlangıçta kutu nötr, üzerinde fazladan yük yok, yani artı yüklerin sayısı eksi yüklerinkine eşit. Dış elektrik alan iletkenin üstündeki elektronların bir kısmını sola doğru çekiyor, sağ tarafta bu elektronların yalnız bıraktığı artı yükler kalıyor. Yani kutu kutuplanıyor. Bu kutuplanma kutunun içinde dış elektrik alana zıt yönde bir başka elektrik alan oluşmasına sebep oluyor. Dış ve iç elektrik alanlar birbirine eşit ve zıt yönde, dolayısıyla birbirini götürüyor. Böylece kutunun içinde net elektrik alan sıfır oluyor. İşte Faraday kafesi böyle çalışıyor.
Peki telefonun sinyalini nasıl kesiyor ? Telefonun sinyali elektromanyetik dalgadır ve 2,4 GHz frekansındadır. Yani elektrik alan saniyede 2,4 x 10⁹ kez titreşir. İletken kutunun üstündeki elektronlarda bu değişen elektrik alanla birlikte sürekli yer değiştirirler ve her seferinde kutunun içindeki net elektrik alanı sıfır yaparlar. İşte cep telefonu Faraday kafesinin içinde bu nedenle sinyal alamaz.
Farday kafesine elektromanyetik zırh ya da elektromanyetik yalıtım da denir. Mutlaka folyo ya da duvar gibi bütün bir yüzey halinde olması gerekmez, bir ağ ya da süzgeç gibi tellerin örülmesiyle de Faraday kafesi yapılabilir.

Faraday Kafesinin Uygulama Alanları

Faraday kafesindeki amaç dışarıdaki manyetik alanın içeri girmesini veya içerideki manyetik alanın dışarıya çıkmasını önlemeye çalışmaktır. Kullanım alanı değişse de bu amaç pek değişmez. Bunun için korunacak kısım veya binanın dış yüzeyi iletkenler ile ağ şeklinde örülür ve topraklanır. Özellikle bina uygulamalarında yüksek konumlarına yakalama uçları konur. Başlıca kullanım alanlarını ve nasıl uygulanacağını aşağıdaki gibi sıralayabiliriz.

• Yanıcı, patlayıcı ve patlayıcı maddelerin depolandığı binalar: Bu tür binaların dış tarafı kafes şeklinde kaplanır. Binanın dışındaki yüksek noktalara yıldırım yakalama uçları yerleştirilir. Bütün iletkenler ve yakalama uçları birbiriyle bağlanır ve topraklanır. Bu şekilde eş potansiyel sistem sağlanmış olur.
• Radyo frekansı yayan cihazlar: Bu tip cihazların konduğu kabinler cihaz çevreye parazit radyo sinyalleri yaymasın diye dış metal kılıfından topraklanır.
• Telsizle haberleşmenin yapıldığı binalar: Bina içindeki telsiz haberleşme sinyallerinin dışarıya sızmasını ve dinlenmesini önlemek için bina dışına Faraday kafesi inşa edilir. Binada telsiz haberleşme yapılmasa bile, CRT monitörler görüntüyü zayıf bir radyo dalgası olarak yaydığı için uzaktaki bir monitördeki görüntüyü, sinyali yakalayıp kuvvetlendirerek tekrar oluşturmak mümkündür. Binalarda tavanda demir lamalar ile örülmüş hatlar olarak yapılmıştır. Duvarlarda bu şekilde demirler olmadığı için baz istasyonları binaların üzerinde sağlık açısından büyük bir tehlike arz etmektedir.
• Elektronik kartlarda bulunan radyo frekans modüller: Radyo-televizyon tuneri, GSM alıcı verici devreleri gibi radyo frekans amaçlı modüller veya elektronik devre bölümleri, sac bir kapakla kapatılıp topraklanarak elektronik karta ve çalıştığı ortama bozucu sinyaller yayması engellenir. EMC (Elektromanyetik Uyumluluk) yönetmeliğine göre bu tip önlemleri almak mecburidir. Elektrikli cihazların gerek radyo sinyali olarak gerekse iletken hatlar üzerinden parazitler yaymasına müsade edilmez.

Faraday kafesi günlük hayatta nerelerde kullanılır?

• Mikrodalga fırınların içi metal bir kafestir, kapağının camına dikkat ederseniz orada da metal tellerin oluşturduğu ağı görebilirsiniz. Bu kafes mikrodalgaları yalnızca fırının içinde tutup dışarı çıkmalarını engellemek için kullanılır.
• Alışveriş merkezlerindeki mağazalardan hırsızlık yapanlar RFID etiketlerini okuyan alarmları engellemek için çantalarının içini alüminyum folyo ile kaplıyorlar.
• Arabaların kaportası (ama lastikler değil) ve uçakların gövdesi bir Faraday kafesi olduğu için içindekileri yıldırımdan koruyabilir.
• Bazı asansörlerde cep telefonunuz neden çekmiyor olabilir? Kablosuz ağa (wi-fi) da bağlanamazsınız.
• MR (manyetik rezonans görüntüleme) cihazlarının kontrol odaları çalışanları korumak için Faraday kafesi olacak biçimde tasarlanır.
• Yüksek gerilim hatlarını tamir eden işçiler özel tasarlanmış elbiselerle çalışır.
• EMP (elektromanyetik darbe) silahlarına karşı savunma olarak kullanılır.

Sonuç olarak Faraday kafesi uygulaması pahalı olmasına rağmen elektrik alanlara karşı hassas cihazların bulunduğu birimlerde kullanılmaktadır. Bu maliyet, korunmak istenen cihazlar göz önüne alındığında aslında çok ucuza dahi gelebilmektedir. Eğer hassas cihaz yoksa Faraday kafesi yerine diğer yıldırımdan korunma yöntemleri uygulanmakta ve çoğu zaman başarılı ve yeterli olmaktadır.