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 küçükse bu bir sorun oluşturmayacaktır. Öte yandan geometrinin küre olması şart değildir. Kapalı herhangi bir yüzey, kafes görevini yerine getirebilir.Â
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 küçükse bu bir sorun oluşturmayacaktır. Öte yandan geometrinin küre olması şart değildir. Kapalı herhangi bir yüzey, kafes görevini yerine getirebilir.Â
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.
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.
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.Â
Bu tip cihazların konduğu kabinler cihaz çevreye parazit radyo sinyalleri yaymasın diye dış metal kılıfından topraklanır.Â
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 tavan da demir lamalar ile örülmüş hatıl olarak yapılmıştır, duvarlarda bu şekilde demirler olmadığı için baz istasyonları binaların üzerinde sağlık açısından büyük bir tehlike arz etmektedir.
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 tavan da demir lamalar ile örülmüş hatıl 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.
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 koruma yöntemleri uygulanmakta ve çoğu zaman başarılı ve yeterli olmaktadır.Â
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.
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 koruma yöntemleri uygulanmakta ve çoğu zaman başarılı ve yeterli olmaktadır.Â
