Faraday Kafesi

İsmini 19. Yüzyılda yaşamış ünlü fizikçi ve kimyacı Michael Faraday’dan alan, çalışma prensibi basit elektrostatik kurallara dayanan bu düzeneği günlük hayatta birçok yerde görebilirsiniz.

gplusconf._DSC5630.web_

Faraday kafesleri çevreledikleri hacmi, dışarıda meydana gelen elektriksel alan değişimlerine karşı korurlar. İlginç olan nokta; bunu yaparken hiçbir güç harcamamalarıdır. Bir faraday kafesine ne derece sahip olmak istersiniz bilmiyorum ama eğer sahipseniz onu fişe takıp çalıştırmanız gerekmez! Diğer taraftan faraday kafesi sahip olunması zor olan birşeyde değildir. Örneğin, bir alüminyum folyo yeterlidir. Yalnızca belli bir hacmi çevreleyebilecek kadar olması işimizi görecektir.

Peki, pratikte faraday kafesine ne derece ihtiyacımız var? Oldukça çok. Faraday kafesimiz ve onun dayandığı fizik olmasaydı binalarımızı yıldırım düşmelerinden korumak için oturup başka bir çözüm düşünmemiz gerekecekti. İçlerinde kimi gizli bilgilerin gönderilip alındığı binaları casuslardan korumak için yine başka bir yöntem gerekecekti. Ama çok fazla karamsar olmayalım, eğer faraday kafesimiz olmasaydı iyi şeyler de olacaktı; mesela arabalardaki radyo antenlerini arabanın dışına koymak zorunda kalmayacaktık!

Araba radyolarının antenlerinin dışarıda olması sizi de rahatsız etmiş olabilir. Ben çoğu zaman kendimi bu anten içeride bir yerlere konulamaz mıydı diye düşünürken bulmuşumdur. Hiç estetik değildir çünkü arabanın üstünde bir anten. Hem araba radyosunun antenini arabanın üstüne koymak, evdeki radyonun antenini çatıya koymaya benzer. Ama her ne olursa olsun fiziğin tüm evrene hükmeden kurallarından kaçmak mümkün değildir ve bu durum yirminci yüzyılın mühendislik harikası olsanız da fiziğin sizi kayırmayacağı anlamına gelir.

Arabalardaki radyo antenlerinin yadırganan yeri ne yazık ki bir mecburiyetin sonucudur. Arabalar sahip oldukları metal gövdeleriyle birer faraday kafesi görevi görürler. Bundan dolayı radyo dalgalarının arabanın içine ulaşması söz konusu değildir. Muhtemelen araba tasarımcıları da bu durumdan rahatsız olmuşlardı fakat sanıyorum ki arabayı tahta gövdeli yapmaktan başka bir çareleri yoktu. Bu da estetik bir kaygıdan çok daha fazlasını alıp götüreceğinden tercih edilmemiş olabilir. Bu noktada arabaların içinde rahatlıkla kullandığımız cep telefonlarının nasıl olupta çalıştığını sorgulayabilirsiniz. Ne de olsa radyolar da, cep telefonları da elektromanyetik dalgalarla çalışırlar ve eğer faraday kafesine elektromanyetik dalgalar giremiyorsa cep telefonlarının da çalışmamasını beklersiniz. Böyle olmamasının sebebi faraday kafesimizin gözenekli olmasıdır. Bildiğiniz gibi araba gövdesinin tamamı metalden oluşmaz. Camlar metalin yüzeyindeki boşluklardır ve pratik olarak bu boşluklar faraday kafesimizin gücünü düşürür. Dolayısıyla kafes, güçlü ve zayıf elektromanyetik dalgalara karşı adil davranamaz, gelen elektromanyetik dalganın gücüne göre tepki vermek zorunda kalır. Radyo dalgaları düşük enerjili olduğundan onların içeriye girmesine karşı koyabilir fakat cep telefonlarının çalıştığı yüksek enerjili elektromanyetik dalgaların içeriye girmesi karşısında kafesin yapacak hiçbir şeyi yoktur. Bu yüksek enerjili elektromanyetik dalgalar çok yüksek frekanslıdır ve dalgaboyları faraday kafesinizin sahip olduğu gözeneklerle  karşılaştırılamayacak kadar küçüktür. Dolayısıyla cep telefonu sinyalleri araba gövdesinin metal olmayan boşluklarından girip çıkarken gövdenin bundan haberi bile olmaz!

Peki, bir faraday kafesiyle cep telefonu sinyallerini durdurabilmek mümkün müdür? Elbette mümkündür. Eğer elektromanyetik dalgalara karşı güçlü bir faraday kafesine sahip olmak istiyorsanız kafesinizdeki gözenekleri mümkün olduğu kadar küçültmeniz gerekecektir. En kesin çözüm yüzeyinde hiçbir boşluk bulunmayan sürekli bir iletken malzeme kullanmaktır. Bunun için çok fazla malzeme araştırması yapmaya gerek yok. Cep telefonu sinyallerini durdurabilmek için bir alüminyum folyo yeterli olacaktır. Cep telefonunuzu alüminyum folyoya hiçbir tarafında boşluk kalmayacak şekilde sardığınızda deneyinizi başlatabilirsiniz. Eğer telefonunuzun bulunduğu hacmi dikkatlice sarıp boşluk olmamasına özen gösterdiyseniz telefonunuza ulaşamayacaksınız. Çünkü alüminyum folyo bir faraday kafesi görevi görüp içerisindeki hacme elektromanyetik dalgaların girmesine izin vermeyecektir.

Artık biliyoruz ki; bütün faraday kafesleri kafes şeklinde değil. Gözenekli yapıda olmayan, yüzeyi sürekli bir iletken malzemeyle de faraday kafesi oluşturulabiliyor. Yüzeyinde hiçbir boşluk olmayan kafes, çevrelediği hacme hiçbir şekilde elektrik alan değişimlerini ve elektromanyetik dalgaları geçirmiyor, eğer gözenekli yapıdaysa elektrik alan değişimlerini yine geçirmiyor fakat elektromanyetik dalgalara tepki vermede gözeneklerinin küçüklüğü oranında başarılı olabiliyor. Kafes ne kadar küçük gözeneklere sahipse elektromanyetik dalgaları perdelemede o kadar başarılı oluyor.

faraday-cage

Faraday kafesinin ne olduğu, nerelerde kullanıldığı ve farklılıklarını anladıktan sonra olayın arkasındaki fiziği incelemeye hazırız. Tam olarak ne oluyor da bu metal kapalı kutular elektrik alanları perdeleyebiliyorlar?

faraday Tesla bobininin hemen yanında, faraday kafesinin sağladığı güvenle oturup üzerinize gelen yük sıçramalarını izleyebilirsiniz.

Faraday Kafesinin Arkasındaki Fizik

Cep telefonunuzu bir kağıt parçasına sarmayı deneyebilirsiniz. Tahmin edeceğiniz gibi hiçbir sonuç alamayacaksınız. Faraday kafesi için iletken bir malzemeden bahsediyor olmamız gerekir. Öyleyse iletkenlikten başlayalım. İletken bir madde ne demektir? Malzemelerin iletken ve yalıtkan olarak sınıflandırılması doğru ve yeterli midir?

İletkenlik

Elektriksel iletkenlik tamamıyla maddenin mikroskobik boyutlarında gerçekleşen olayların sonucudur. Onu anlayabilmek için atomların dünyasına inmek zorundayız. Bildiğiniz gibi atom, merkezinde artı yüklü protonların ve yüksüz nötronların yoğunlaştığı, çevresinde ise eksi yüklü elektronların kuantum mekaniksel ilişkiler neticesinde dizildiği bir yapıdadır. Bu elektron dizilimleri merkezinde çekirdeğin olduğu ve çapları gittikçe büyüyen çemberler şeklinde düşünülebilir. Biz iletkenlik bağlamında bu çemberlerin en büyüğüyle ilgileniyoruz. Yani çekirdeğe en uzak olanıyla. Doğadaki bazı maddelerin çekirdekten en uzakta bulunan elektronları bazen yörüngesinde yalnızdır. Bu elektronların yörüngelere yerleşiminin doğal bir sonucudur. Biraz acıklı bir örnek olacak ama şöyle düşünelim; bir hapishanede gardiyansınız ve dokuz mahkumu ayaklarından prangalayıp bir yerden bir yere götürme göreviyle karşı karşıyasınız. Çok üzücü ama hapishanede bulunan prangalar sekiz kişi için düşünülmüş. Yapacak bir şeyiniz yok mahkumların sekizini prangalayıp geriye kalan kişinin kaçmaması için yolculuk boyunca dikkatli olmalısınız. Atom yörüngelerinde de sekiz kişilik prangada olduğu gibi belli bir kural vardır. Her yörüngeye kaç elektronun yerleşebileceği bellidir. Bazı maddeler öyle elektron sayısına sahiptirler ki, elektronları tüm yörüngelere yerleştirdikten sonra geriye yalnız bir elektron kalır. Bir önceki yörünge tam olarak doldurulmuşken maddenin sahip olduğu son elektron son yörüngede tek başınadır. Tek başına olduğundan çekirdek tarafından çekimi çok zayıftır hatta neredeyse çekirdek tarafından hiçbir çekime maruz kalmaz ve serbest haldedir. Elbette ki madde milyarlarca atomdan meydana gelir ve bu milyarlarca serbest elektron demektir. Bu milyarlarca serbest elektron madde içerisinde adeta yüzerler ve bir elektron denizi oluştururlar. İşte iletkenliği sağlayan bu elektron denizi yani atomdaki serbest elektronlardır.

Elektrostatik hakkında az çok bilgisi olan herkes için klişe sayabileceğimiz bir söylem vardır; bütün maddeler iletkendir! Aynen öyledir. Ancak bazı malzemelerin iletkenliği öylesine küçüktür ki pratikte onların iletkenliklerinin bahsi bile edilmez. Onları oluşturduğumuz yalıtkanlar sınıfına koyarız. Tahmin edeceğiniz üzere yalıtkan maddelerin atomları içerisinde elektronlar yörüngelerine tamı tamına oturmuştur ve dolayısıyla çekirdekler elektronlara güçlü bir çekim uygular. Örneğimize göre bu sefer sekiz kişiyi bir yerden bir yere götürdüğümüzü varsayabiliriz ve rahatlayabiliriz. Kimse bir yere kaçamaz!

Fakat maddelerin elektriksel iletkenliği yalnızca iletkenler ve yalıtkanlar olarak sınıflandırılmanın daha ötesinde kimi durumlar barındırır. Bazı malzemeler “neredeyse” iletkendir ve bunlara yarı-iletken deriz ki bu malzemeler günümüz elektroniğinin taşıyıcısı konumundadır. Yarı-iletkenlerin son yörüngesinde üç-dört-beş elektron bulunabilir. Örneğimize dönecek olursak üç, dört veya beş kişiyi prangaladığımızı düşünebiliriz. İyi bir organizasyonda kaçmak neden olmasın! Sekiz kişiden daha kolay olduğu kesin.

Bir diğer iletkenlik sınıfı ise süperiletkenliktir. Süperiletken malzemeler sıfır dirençtedir ve elektriği kayıpsız iletebilirler. Yani pranga falan yoktur!

İletkenliği ana hatlarıyla anlamış bulunuyoruz. Faraday kafesinin arkasındaki fiziği anlamaya giden yolda elektrik alanları da incelemek durumundayız.

Elektrik Alan

Bildiğiniz gibi doğada iki farklı elektriksel yük bulunur. Bunları artı ve eksi olarak ifade ederiz. Artı ve eksi birbirini çekerken eksi eksi veya artı artı birbirini iter. Bu ilişkiler doğanın sert kurallarıdır ve elektrik yüklü bir kabloyu tuttuğumuzda neden çarpıldığımızdan, duvarların içinden neden geçemediğimize kadar birçok gerçekliğin açıklamasını içinde barındırır.

Yüklerin birbiriyle olan ilişkilerini daha yakından incelemeye kalkarsak elektrik alanla karşılaşırız. Şunu söyleyebiliriz ki doğadaki bütün uzaktan etkiyen kuvvetlerin etkileşimleri bir alan vasıtasıyla incelenir. Yükler çevrelerinde oluşturdukları alanlarla etkileşirler. İşte biz elektriksel yüklerin oluşturdukları bu alana elektrik alan diyoruz. Alanın yönünü tıpkı artı ve eksi yüklerin seçimindeki keyfilikle, artıdan eksiye doğru seçiyor ve gösteriyoruz. Ancak hemen belirtmekte yarar var ki bu kesinlikle hatalı bir söylemdir. Doğrusu yüksek potansiyelden düşük potansiyele olmalıdır ve kuşkusuz eksi-iki eksi-beşten büyük bir sayıdır.

Şunu netleştirmek gerekebilir, elektrik alan, gözlemlerimize uyan, uzaktan etkiyi açıklığa kavuşturan, fiziksel gerçekliği olan bir kavramdır. Yönü vardır ancak yönünün nerden nereye olduğu tıpkı artı ve eksi yüklerin kabulü gibi tamamıyla fizikçilerin bir tercihidir. Biran için elektrik alanın yönünün eksiden artıya olduğunu farzedin. Pratikte hiçbir sorunla karşılaşmayacaksınız!

Şimdi iletkenler ve elektrik alan hakkında edindiğimiz bu bilgileri biraraya getirip sonuca ulaşabiliriz.

Bir Dış Elektrik Alandaki İletken

Elimizde yüksüz bir iletken malzeme var ve biliyoruz ki iletken malzemelerin içinde çok sayıda serbest elektron bulunuyor. Bu malzemenin yanına artı elektrik yükü koyulursa iletkendeki serbest elektronlar artı yükün bulunduğu tarafa yönelecektir. Bu işlemi genel bir dış elektrik alanda yeniden incelemenin noktasal bir yükle incelemekten farkı yoktur. Ne de olsa noktasal yükler de çevrelerinde bir elektrik alan oluştururlar ve elektriksel etkileşimlerini bu sayede gerçekleştirirler.

1İletken maddenin içerisinde bir hacim oluşturabiliriz. Bu hacim iletkenin hiçbir özelliğini değiştirmez ve dış elektrik alan içerisindeki iletkende de yükler yeniden şekillenir. Elektrik alan yüksek potansiyelden düşük potansiyele doğru olduğundan artıdan eksiye doğru kabul edilebilir. Dolayısıyla elektrik alanın yüzeye geldiği yönde iletkende eksi yük birikmesi oluşur. İletkenin diğer tarafında eksi yükler azaldığından artı yük fazlalığı oluşur ve diğer tarafta artı yüklenmiş olur. Burada belirtilmesi gereken nokta; iletkenin yüzeyinde yeniden yük şekilleniminin doğrudan dış elektrik alana bağlı olduğudur. Dış elektrik alan ne kadar büyükse, iletkenin, elektrik alanın girdiği ve çıktığı tarafları arasındaki yük farkı o kadar fazla olur. Şimdi inceleyeceğimiz nokta, dış elektrik alanın yeniden şekillendirdiği yüzey yüklerinin iletkenin içinde oluşturduğu elektrik alanıdır.

2Bir önceki görsel aslında eksikti ve ikinci görselle tamamlanmış oldu. Dış elektrik alanın, büyüklüğü ölçüsünde şekillendirdiği yüzey yükleri, iletkenin içinde, dış elektrik alanla aynı büyüklükte fakat zıt yönlü bir elektrik alan oluştururlar. Aslında faraday kafesinin çalışma prensibini özetleyen sihirli cümle tam olarak budur!

3

Dolayısıyla iletkenin içinde net elektrik alan sıfırdır! İşte pratikte çokça faydası bulunan ve günlük yaşantımızda farkında olmadan sıkça karşılaştığımız faraday kafesinin ardındaki fizik budur. Görseldeki iletkenin içinde olduğunuz sürece dışarıdaki yüzbinlerce volt sizi ilgilendirmeyecektir. Fizik çalışıyor ona güvenebilirsiniz!

Kaynaklar
David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker  Fundementals of Physics.-8th Edition. 2007
David J. Griffiths  Introduction to Electrodynamics -3th Edition 1999
http://en.wikipedia.org/wiki/Faraday_cage
http://www.juliantrubin.com/bigten/faradaycageexperiments.html
http://www.pa.msu.edu/~duxbury/courses/phy294H/lectures/lecture6/lecture6.html

Reklamlar

Bir Cevap Yazın

Aşağıya bilgilerinizi girin veya oturum açmak için bir simgeye tıklayın:

WordPress.com Logosu

WordPress.com hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Twitter resmi

Twitter hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Facebook fotoğrafı

Facebook hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Google+ fotoğrafı

Google+ hesabınızı kullanarak yorum yapıyorsunuz. Çıkış  Yap / Değiştir )

Connecting to %s