Faraday Kafesi ya da Uçaklar Yıldırımdan Nasıl Korunur?

Faraday kafesine güvenerek kendinizi elektromanyetik dalgalardan koruyabilirsiniz.

Tüm zamanların en iyi deneysel fizikçilerinden biri olarak kabul edilen Michael Faraday, 1836'da gerçekleştirdiği deneyde, bir kutunun içindeki elektrik alanı, bir elektroskop aracılığıyla ölçmüştür. Deneyin can alıcı noktaları ise, kutunun metalden (yani bir iletkenden) yapılmış olması ve ölçülmek istenen elektrik alanın, metal kutunun dışındaki bir elektrostatik jeneratörden kaynaklanıyor olmasıdır. Faraday, deneylerinin sonunda metal kutunun içinde herhangi bir elektrik alan olmadığını keşfetmiştir. [2]

Bu deney günümüze kadar sayısız kez gerçekleştirilmiştir, hatta internet üzerinden pek çok örneğini bulabilmek mümkün. İşte bu örneklerden biri:

https://www.youtube.com/watch?v=WqvImbn9GG4

Deneyde Ben Franklin figürü, bir elektroskop görevi görürken, van de Graaff jeneratörü ise ölçülmek istenen elektrik alanı sağlıyor. Deneyin ilk kısmında, henüz herhangi bir metal kutu yokken, Ben Franklin figürlü elektroskop, bize elektrik alanın varlığını gösteriyor. Deneyin ikinci kısmında ise metal kutu, Ben Franklin elektroskobunu içine alacak şekilde yerleştiriliyor. Ben Franklin elektroskobu, metal kutunun yani Faraday kafesinin içinde herhangi bir elektrik alan olmadığını gösterirken, Faraday kafesinin dışındaki elektrik alanın varlığı, kafesin dışındaki püsküllerle oluşan elektroskop ile tespit ediliyor.

Daha önce uçak ile seyahat etmiş olanlarınızdan çoğu da, aslında bir Faraday kafesi deneyinin deneği olmuş olabilir. Bilindiği üzere, uçaklar yüksek irtifalardaki seyirleri süresince yıldırım çarpmasına uğrarlar. Ancak uçaklar birer Faraday kafesi gibi davrandıkları için, içindeki yolcuları ve tüm elektronik devreleri, yıldırımın yarattığı yüksek elektrik alan etkisinden korur.

Faraday kafesi, sadece kafes dışındaki elektromanyetik dalgalara karşı bir kalkan görevi görmek dışında aynı zamanda da içerideki oluşan elektrik alanın veya elektromanyetik dalgaların yalıtımını da sağlar. Bunun en bilinen örneği ise, mutfaklarımızda kendine yer edinen mikrodalga fırınlardır. Fırının içindeki elektromanyetik dalgalar, Faraday kafesi görevi gören metal kaplama tarafından içeride tutulmaktadır. Mikrodalga fırının ön bölümünde yer alan boşluklar ise, metal kaplamanın yekpare metal olması gerekmediğini bize gösterir. Faraday kafesi etkisinin gözlemlenebilmesi için önemli olan, daha önce izlediğimiz deneyde olduğu gibi, metal kaplamanın belirli bir hacmi kaplamasıdır.

Peki bunca örneğini verdiğimiz bu Faraday kafesi etkisinin temeli nedir? Daha önce elektromanyetizma dersi almış olanlar bu sorunun cevabını hemen verebilirler. Bu dersi almamış olanlar için ise bu etkiyi şöyle açıklayabiliriz:

Metal bir iletkende, atom başına bir ya da daha fazla elektron serbest bir halde bulunur. Bu sebepten ötürü, metal iletkenler, dışarıdan kaynaklanan elektrik alanlara karşı kendi serbest elektronlarının konumlarını değiştirerek, karşı bir elektrik alan oluşturur (indüksiyon). Bu oluşturulan karşı elektrik alan, iletkenin içindeki toplam elektrik alanı sıfır yapar. Bu sayede, bir iletken eş potansiyeldir, başka bir deyişle, iletken içindeki potansiyel sabittir.

Şekil 1: Metal içerisindeki serbest elektronların elektrik alana göre dağılımı. [3]
Şekil 1: Metal içerisindeki serbest elektronların elektrik alana göre dağılımı. [3]

Metalin içindeki elektrik alanın sıfır olmasından ötürü, kafesin kapsadığı herhangi bir boşlukta da (eğer içinde herhangi bir net yük dağılımı yoksa) elektrik alan sıfır olacaktır. Bu etki sayesinde, dışarıda oluşan herhangi bir elektrik alanın etkisi, kafesin içine nüfuz edemeyecektir.

Artık asansöre binip, telefonunuzla konuşmaya çalıştığınızda telefonunuzun çekmediğini fark ederseniz, sebebinin Faraday kafesi etkisi olduğunu bileceksiniz. Uçakta uçarken dışarıyı izleyip, yıldırımlar olduğunu görseniz dahi rahat olacaksanız. Fiziğe ve Faraday kafesine güvenin.

Ahmet Mert Bozkurt

Kaynaklar
1. Kapak görseli, Olsen A., (2010) Arcattack vs. Grant Imahara. <http://www.wired.com/2010/04/arcattack-vs-grant-imahara/> adresinden erişilmiştir.
2. Trefethen, L.N., (2016) Surprises of the Faraday Cage. <https://sinews.siam.org/DetailsPage/TabId/900/ArtMID/2243/ArticleID/757/Surprises-of-the-Faraday-Cage.aspx> adresinden erişilmiştir.
3. Hill S., (t.y.) An Introduction to Electricity and Magnetism. <http://textbook.scotthill.us/08-Materials/04-Conductors.php> adresinden erişilmiştir.

Ahmet Mert Bozkurt

Sabancı Üniversitesi Fizik Doktora Öğrencisi. Çalışma alanı Topolojik Yalıtkanlar ve Quantum Spin Hall etkisi ile taşınım. Basketbol izlemeyi/oynamayı epeyce seviyor. Başlıca içeceği bira.

Ahmet Mert Bozkurt 3 makale yazdıAhmet Mert Bozkurt tarafından yazılan tüm makaleleri gör