Faraday Kafesi Nedir?

Paratoner

Elektriksel iletken metalle kaplanmış yada iletkenler ile ağ şeklinde örülmüş içteki hacmi dışarıdaki elektrik alanlardan koruyan bir muhafazaya denir. Faraday kafesi ile elektrik alanın içeri girmesi ve dışarı 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 meydana gelen elektriksel alan değişimlerine karşı korurlar. Bunu yaparken hiçbir güç harcamazlar. Dışarıda meydana gelen elektrik akımlarına karşı, topraklama sistemleri ile binada ki malzemeleri koruması kafesin önemli özelliklerindendir. Faraday kafesi, kesintisiz iletkenlerden meydana gelmeli ve kabuk şeklinde korunacak nesneyi sarmalıdır. Bu da iyi örülmüş bakır bir ağ ekranıyla sağlanabilir. En iyi performans için kafesin doğrudan toprağa bağlanmış olması gerekir. İletken tellerle ağ şeklinde kaplanmış ve topraklanmış her kafes ile bu koruma gerçekleştirilebilir.

Topraklama kalitesi ve ağ gözü sıklığı korumayı arttırır. Ağ gözleri ne kadar sık olursa Faraday kafesini 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. Daha sık ağ gözleri ile daha yüksek frekans elektromanyetik dalgalara karşı geçirmezlik sağlanabilir. Geniş ağ gözleri daha uzun dalga boylu (diğer bir deyişle daha düşük frekanslı) radyo dalgalarına karşı geçirmezlik sağlar. Kafesin işlerliği için iletkenlerin iyi topraklanmış olması gerekir.

Faraday kafesi ne işe yarar?

Faraday kafesi binaları yıldırım düşmelerine karşı korur. Faraday kafesi yıldırımdan korunma yollarından birisidir. Ayrıca yıldırımın zarar vermeden doğrudan toprağa iletilmesinde paratoner sistemi de kullanılır.

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 Çalışma Prensibi

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.

Elektrik alanın sıfırlanması ile birlikte, hareket etmelerinin gerekçesi ortadan kalkmış olur. Faraday kafesi çalışma prensibi böyledir ve içindeki nesneleri dış elektrik alanlara karşı korur. Dolayısıyla ideal olarak Faraday kafesi; topraklanmış, içi boş metal bir küre gibi kapalı bir iletken yüzeyden meydana gelir. Ancak iletken yüzey sürekli olmak yerine, kafes biçiminde de üretilebilir. Bu durumda kafes aralıklarından bir miktar elektrik alanı içeriye sızacak, ama aralıklar yeteri kadar küçük ise bu bir problem olmayacaktır. Diğer yandan Faraday kafesinin küre şeklinde olması şart değildir. Kapalı herhangi bir yüzey, kafes görevini yerine getirebilir.

Faraday Kafesi Kullanım Alanları

Faraday kafesi yapılmasının amacı dışarıdaki manyetik alanın içeri girmesini veya içerideki manyetik alanın dışarıya çıkmasını önlemektir. Kullanım alanları değişse bile bu amaç değişmez. Bunun için korunacak kısım veya binanın dış yüzeyi iletkenler ile ağ biçiminde örülür ve topraklanır. Bina uygulamalarında yüksek konumlarına yakalama uçları konur. Başlıca kullanım alanları ve nasıl uygulanacağı:

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. Bu şekilde eş potansiyel sistem sağlanmış olur.

Radyo frekans yayan aletler:

Bu tip aletlerin konduğu kabinler cihaz çevreye parazit radyo sinyalleri yaymasın diye dış metal kılıfından topraklanır.

Telsizle haberleşmenin yapıldığı binalar:

Bina içindeki 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 yaydığı için uzaktaki bir monitördeki görüntüyü sinyali, yakalayıp kuvvetlendirerek yeniden meydana getirmek mümkündür. Binalarda tavanda demir lamalar ile örülmüş hatıl olarak yapılmıştır. Duvarlarda bu şekilde demirler olmadığından baz istasyonları binaların üzerinde sağlık açısından büyük bir tehlike arz ederler.

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 zorunludur. Ayrıca CE belgesi mutlaka olmalıdır. Elektrikli aletlerin gerek radyo sinyali olarak gerekse iletken hatlar üzerinden parazitler yaymasına izin verilmez. Faraday kafesi uygulaması pahalı olmasına rağmen elektrik alanlara karşı hassas cihazların bulunduğu birimlerde kullanılmaktadır.

Bu maliyet, korunmak istenen cihazlar göz önüne alındığı zaman aslında faraday kafes fiyatları pahalı değil çok ucuza bile gelebilmektedir. Eğer hassas cihaz yoksa Faraday kafesi yerine diğer yıldırımdan korunma yöntemleri uygulanmakta ve çoğu zaman başarılı ve yeterli olmaktadır.

MR cihazlarının da yerleştirildiği ortamda faraday kafesidir. MR cihaz kurulumları yapılırken ortam özel malzemelerle kaplanır ve Faraday kafesinin etkisinin oluşumu sağlanır. Kaplama işlevleri çeşitli basamaklardan oluşur. Odalara bakır, çelik karışımları kaplayarak, MRG odalarının RF yalıtımı yapılır. MRG sistemlerinde üç çeşit kaplama vardır;

Galvenizli modüler sistem; galvenizli ve lamine karışımdan oluşan panellerle,
Bakır modüler sistem; ahşap malzemeye bakır sararak oluşan panellerle,
Bakır levha lehimlenmesi; bakır levhaların lehimlenmesiyle yapılanlar.

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 yapılmalı, oluşabilecek yıldırım riskinin durumuna göre bölme aralıkları projelendirilerek yapıya uygulanmalıdır. Yıldırımdan korunma yolları ile kafes temel topraklama sistemlerine bağlanıp, eş potansiyel sistem oluşturulup aşırı gerilim koruyucularının kullanılması gerekir.