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 kafesinin ne olduğu, nerelerde kullanıldığı ve
farklılıklarını anladıktan sonra olayın arkasındaki fiziği
incelemeye hazırız? Tam olarak ne oluyorda bu metal kapalı
kutular elektrik alanları perdeleyebiliyorlar?
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 tamamiyle 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. Yapaçak birşeyiniz 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.
İletken 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.
Bir 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!
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