Faraday Kafesi Nedir? Ne İşe Yarar?

Faraday kafesi nedir: İletkenlerle ağ şeklinde örülmüş ya da iletken metal ile kaplanmıştır. İçteki hacmi dışarıdaki elektrik alanlardan koruyan bir muhafazaya faraday kafesi denir. Bu sayede elektrik alanının içeriye girmesi ya da dışarıya çıkması engellenmektedir.

Adını 19. Yüzyılda yaşamış 1836 yılında İngiliz ünlü fizikçi ve kimyacı Michael Faraday’ ın buluşu olduğu için “Faraday kafesi” olarak almıştır. Faraday kafesi çalışma prensibi basit elektrostatik kurallara dayanan bu düzenektir.

Faraday kafesi çevreledikleri hacmi, dışarıda olan elektriksel alan değişimlerine karşı korur. Bunu yaparken hiçbir güç harcamaz. Dışarıda olan elektrik akımlarına karşı, topraklama sistemi ile koruma sağlaması kafesin özelliğidir.

Kabuk biçiminde bir nesneyi sarması ile beraber kesintisiz iletkenlerden oluşur. Bu da iyi örülmüş bakır bir ağ ekranıyla sağlanabilir. En iyi performans için kafesin doğrudan toprağa bağlanmış olması gerekir.

Faraday kafesinin oluşabilmesi için mutlaka toprağa bağlanmış olması gerekir. Aynı zamanda ağ gözleri ne kadar sık olursa, elektromanyetik dalgalara karşı olan geçirmezlik bir o kadar güçlü hale gelir.

Topraklama kalitesi ve ağ gözü sıklığı korumayı arttırır. Ağ gözleri ne kadar sık olursa elektromanyetik dalgalara karşı geçirmezlik oranı da o kadar büyük olur. Dışarıdaki elektrik alan içeri etki edemez. Örneğin yıldırımlar gibi statik elektrik boşalmaları iletkenlerden geçer ve içeri sıçramaz. Geniş ağ gözleri daha uzun dalga boylu (diğer bir deyişle daha düşük frekanslı) radyo dalgalarına karşı geçirmezlik sağlar.

Faraday Kafesi Ne İşe Yarar?

Faraday kafesi, elektriğin içeri girmesine ya da dışarı çıkmasına engel olur. Yani kısacası herhangi bir alanda elektriğin hapsedilmesi sağlar. Böylece elektromanyetik dalgalara karşı geçirmezlik çok daha güçlü bir noktaya ulaşır.

Faraday kafesi binaları yıldırım düşmelerine karşı korur. Faraday kafesi yıldırım çarpmalarına karşı da korur. Yıldırım çarpması herhangi bir metal aracı etkilediğinde, içinde bulunan insanlar metal yüzeyin dışı elektriksel bir temasa girmedikleri süre içinde güvende olurlar. Kapalı metalik araç Faraday kafesi görevi yapar ve yıldırımın güçlü elektrik alanından iç tarafı korur.

Faraday Kafesi Nasıl Çalışır?

İletken malzemeleri meydana getiren atomların en dış yörüngelerindeki değerlik (valans) elektronları, atomlarından kolayca ayrılarak hareket etme yeteneğine sahiptir. Bundan dolayı ; kapalı bir yüzeye sahip olan iletken bir cisim elektrik alanı içerisine yerleştirildiği zaman bu elektronlar, iletkenin içerisindeki elektrik alanı sıfırlanıncaya kadar hareket eder ve bir yeniden dağılıma uğrarlar.

Faraday Kafesi Yapımı

Elektrik alanının sıfırlanması üzerinden, hareket etmelerinin sebepleri bütünüyle ortadan kalkar. Temel olarak Faraday kafesi çalışma prensibi bu şekildedir. içindeki nesneleri dış elektrik alanlara karşı korur.  Bu doğrultuda topraklanmış olan ve kapalı bir metal küre iletken etki oluşturur.

Özellikle kafes aralıkları çok küçük şekilde hazırlandığında, iç kısma herhangi bir elektrik akışı sağlanır. Sadece geometrik yapılar değil aynı zamanda birçok farklı şekil üzerinden de Faraday kafesi eşliğinde alan yaratmak mümkündür. Böyle elektrik dış kısımda kalır ya da iç kısma hapsolmuş elektrik oradan dışarı çıkamaz.

Faraday kafesi; topraklanmış, içi boş metal bir küre gibi kapalı bir iletken yüzeyden oluşur. Küre şeklinde olması şart değildir. Kapalı herhangi bir yüzey, kafes görevini yerine getirebilir.

Faraday Kafesinde Yük Korunumu

Genelde bizim ülkemizde faraday kafesi dış yıldırımlık sistemidir. TSEN 62305-1-2-3-4 standartlarında yapılmaktadır. Koruma alanı küre yöntemi ile belirlenmektedir. Açık alanları yeterince korumaz, kapalı alanları korumak amaçlı yapılmış sistemdir.

Kafesin verimli çalışması için faraday kafesi hesabı yapılmalıdır. Oluşabilecek yıldırım riskinin durumuna göre bölme aralıkları projelendirilerek yapıya uygulanmalıdır. Yıldırımdan korunma yolları ile kafes temel topraklama sistemlerine bağlanmalıdır. Böylece eş potansiyel sistem oluşturulup aşırı gerilim koruyucularının kullanılması gerekir.

Faraday Kafesi Kullanım Alanları

Faraday kafesi yapılmasının amacı dışarıdaki manyetik alanın içeri girmesini veya içeridekinin dışarıya çıkmasını önlemektir. Kullanım alanları değişse bile bu amaç değişmez. Bina uygulamalarında yüksek konumlarına yakalama uçları konur. Başlıca kullanım alanları:

Yanıcı Parlayıcı ve Patlayıcı Maddelerin Depolandığı Binalar

Bu tip binaların dışı kafes biçiminde kaplanır. Binanın dışındaki yüksek noktalara sivri uçlu metal yıldırım yakalama uçları yerleştirilir. Bütün iletkenler ve sivri metal yıldırım yakalama uçları birbiriyle bağlanır ve topraklama yapılır.

Radyo Frekans Yayan Aletler

Bu cihazlar kabinlere konulur. Bu kabinler cihaz çevreye parazit radyo sinyalleri yaymasın diye dış metal kılıfından topraklanır. Hastanedeki MR cihazlarında da faraday kafesi kullanılır.

Telsizle Haberleşmenin Yapıldığı Binalar

Telsiz haberleşme sinyallerinin dışarıya sızmasını ve dinlenmesini önlemek için bina dışına Faraday kafesi kurulur. Binada telsiz haberleşme yapılmasa bile, CRT monitörler görüntüyü zayıf bir radyo dalgası olarak yayar. Bunun için uzaktaki bir monitördeki görüntüyü sinyali, yakalayıp kuvvetlendirerek yeniden oluşturmak mümkündür. Binalarda tavanda demir lamalar ile örülmüş hatıl olarak yapılmıştır. Duvarlarda demirler olmadığından baz istasyonları binaların üzerinde sağlık açısından büyük bir tehlike arz ederler.

Elektronik Kartlarda Bulunan Radyo Frekans Modüllerde

Radyo-televizyon tuneri, GSM alıcı verici devreleri gibi radyo frekans amaçlı modüller veya elektronik devre bölümleri, sac bir kapakla kapatılarak topraklanır. Böylece elektronik karta ve çalıştığı ortama bozucu sinyaller yayması engellenir. EMC (Elektromanyetik Uyumluluk) yönetmeliğine göre bu tip önlemleri almak zorunludur. Ayrıca CE belgesi mutlaka olmalıdır. Elektrikli aletlerin radyo sinyali veya iletken hatlar üzerinden parazitler yaymasına izin verilmez. 

Faraday kafesi fiyatları pahalıdır. Ancak elektrik alanlara karşı hassas cihazların olduğu birimlerde kullanılmaktadır.