Faraday Kafesinin Çalışma Prensibi: Tüm Özellikleri ile

Faraday kafesi, statik veya elektromanyetik alanlardan korunmak için tasarlanmış bir cihazdır. Bu cihaz, elektrik yüklerinin geçmesine izin vermeyen iletken bir kafesle çevrilidir. Kafesin içindeki nesneler, dışarıdaki elektromanyetik alanlardan etkilenmezler, çünkü kafesin iletkenliği elektromanyetik alanı absorbe ederek dağıtır ve içerideki nesneleri korur. Faraday kafesinin çalışma prensibi konusuna detayları ile bakalım.

Faraday Kafesinin Çalışma Prensibi

Faraday kafesi, bir cihazın iç bileşenleri ile dış elektrik alanları arasında bir bariyer oluşturur. Çünkü bir dış elektrik alanı, muhafazanın iletken malzemesi içinde elektrik yüklerinin yeniden dağılımına neden olur ve bu da alanın kafes içindeki etkisini nötrler. Bu durum, muhafaza içindeki elektrikli bileşenlerin kesintisiz olarak düzgün şekilde çalışmasını sağlar.

Elektrik enerjisi birçok açıdan hayatımıza yön veriyor. Voltlar ve amperler olmadan bugün kullandığımız birçok teknoloji de hayatta olmayacaktı. Hatta hücrelerimizde dolanan elektrik enerjisi olmasa bizler de hayatta olmazdık. Yeterli miktarda elektrik enerjisinin biz insanlar için hayati bir önemi olsa da; fazlası tabii ki zararlı ve öldürücü. Fazla elektrik sadece insanları değil makine ve teçhizatları da yok eder. 19. yüzyılın dahi bilim adamı Michael Faraday’ın buluşu Faraday Kafesinin çalışma prensibi sayesinde biz insanlar elektrik enerjisini kontrol edip teçhizatlarımız ve kendimiz için daha güvenli bir hale getirmenin yolunu bulduk.

Hayatınızın bir noktasında zamanınızın önemli bir kısmını bir Faraday Kafesinde geçirmiş olma ihtimaliniz yüksek. Mutfağınızda bile bir tane bile olabilir. Çok da şaşırtıcı değil.

Konunun daha iyi anlaşılabilmesi için bu mucizevi cihazın öncelikle tanımını tekrar yapalım:

Faraday kafesi, nesneleri hem statik hem de statik olmayan elektromanyetik alanlardan korumak için kullanılan bir muhafazadır. Faraday kafesi iletken bir metal ile kaplanmıştır veya çok sayıda örümcek ağı biçiminde örülmüş olan iletkenlerden oluşur.

Kafesin etrafına sarılmış iletkenler mutlaka topraklanmalıdır. Ağların gözleri ne kadar sık ve topraklama ne kadar iyi olursa koruma o denli güvenli olur ve dışardaki elektrik alan kafesin içerisine giremez. Aralıklar geniş olursa elektrik alanın içeriye sızması ihtimali vardır.

İletkenlerin atomlarının en dış yörüngelerindeki değerlik elektronları atomlarından kolayca ayrılıp hareket etme kabiliyetine sahiptir. Bu elektonların hareket ettiği elektrik alan içerisinde kapalı yüzeye sahip bir iletken yerleştirildiğinde elektronlar elektrik alan sıfırlanıncaya kadar hareket eder. Elektrik alan sıfırlanınca da hareket etmelerine gerek kalmaz ve adeta sönümlenir.

İletkenler ve yalıtkanların ne olduğuna çok da aşina değilseniz aşağıdaki video size yardımcı olabilir:

Özünde, iletkenler, elektriği iletmelerine izin veren ve serbest hareket eden elektron deposuna sahiptir. Herhangi bir elektrik yükü olmadığında, iletkende aşağı yukarı aynı sayıda birbirine karışan pozitif ve negatif parçacıklar bulunur.

Elektrik yüklü harici bir nesne kafese yaklaşırsa, iletkendeki pozitif (çekirdek) ve serbest negatif (elektron) parçacıklar aniden ayrılır.

Yaklaşan nesne pozitif yüklüyse, serbest hareket eden elektronlar ona doğru hareket eder.

Bu durum, kafesin malzemesinin geri kalanını nispeten negatif yüklü elektronlardan yoksun bırakır ve ona pozitif bir yük verir. Yaklaşan nesne negatif yüklüyse, bunun tersi gerçekleşir ve elektronlar itilir, ancak net etki aynıdır, tam tersi.

Bu sürece elektrostatik indüksiyon denir ve harici nesneninkine karşıt bir elektrik alanı oluşturur.

Bu işlem, tüm kafes boyunca harici elektrik alanını etkili bir şekilde iptal eder. Kafesin içini dış elektrik alanından yalıtan bu olgudur.

Tahmin edebileceğiniz gibi, bu kafesler çeşitli uygulamalarda oldukça kullanışlıdır. Muhtemelen çok yakın zamanda bir tanesinin içinde bulunmuşsunuzdur.

En ünlü örnekler otomobiller ve uçaklardır. Hem bir uçağın hem de arabanın gövdeleri, yolcuları için Faraday kafesi görevi görür.

Faraday kafesinin etkinliği, kafes tasarımı, boyutu ve yapı malzemelerinin seçimi ile tanımlanır. Ağ tipi bir yapıya sahipse, iletken yeterince kalınsa ve ağdaki delikler söz konusu radyasyonun dalga boyundan daha küçükse, iç kısımlarını koruyacaklardır.

Faraday kafesleri ve kalkanları ne kadar şaşırtıcı olsa da mükemmel olmaktan çok uzaktır. Genel olarak, elektromanyetik dalgalardan %100 yalıtım sağlamazlar.

Peki Michael Faraday bunu nasıl buldu? Şimdi buna bakalım.

Faraday Kafesi nasıl icat edildi?

19.yüzyılda Michael Faraday bir odayı metal bir folyo ile kapladı ve elektrostatik bir jeneratör vasıtasıyla metale enerji verdi. Odanın içerisine elektrik şarjlarını yakalayan bir elektroskop yerleştirdi ve odanın içerisinde hiç akım dolaşmadığını farketti. Akım sadece metal folyonun üzerinde dolaşıyordu ve odanın içerisine hiç girmiyordu.

Bunun nasıl olduğunu anlamak için elektrik iletkenlerinin nasıl çalıştığını anlamanız gerekir. Süreç aslında basittir. Alüminyum kafes gibi metal nesneler iletkendir ve içlerinde hareket eden elektronlara (negatif yüklü parçacıklara) sahiptir. Elektriksel yük olmadığında, iletken yaklaşık olarak aynı sayıda pozitif ve negatif partikül içerir.

Bu iletkene elektrik yükü olan harici bir nesne iletkene yaklaşırsa, pozitif ve negatif parçacıklar birbirinden ayrılır. Yüklü elektronlar bu harici nesneye çekilir. Harici nesne ile aynı yüke sahip elektronlar itilir ve bu nesneden uzaklaşır. Bu yüklerin yeniden dağıtımı elektrostatik indüksiyon olarak adlandırılır.

Harici yüklü nesnenin varlığıyla, pozitif ve negatif parçacıklar iletkenin karşıt taraflarına itilir. Sonuç, dış nesnenin metal iletken içindeki yük alanını iptal eden zıt bir elektrik alanıdır. Alüminyum kafes içindeki net elektrik yükü sıfır olur. Bingo!

Sonuç

Faraday kafesinin çalışma prensibini kullanarak sayısız cihazı elektrik alanların negatif etkilerinden korumak mümkün. Yıllar önce geliştirilen ve günümüzde halen kullanılmakta olan bu mucizevi cihaz eşsiz çalışma prensibi ile hayatımızı kolaylaştırmaya devam ediyor.