Bir uçak yıldırım çarpmasından nasıl korunur? Uçak seyahatlerinde yolcuların can güvenliğini sağlayan temel ilke aslında bir Fizik yasasından başka bir şey değildir. Faraday kafesi sayesinde uçak seyahatlerinde yolcular yıldırımlara karşı güvenli bir yolculuk yapmaktadırlar. Peki Faraday kafesi nedir? Fiziksel olarak anlamı nedir?
Bir Faraday kafesi güçlü elektrik alanlar ve elektromanyetik alanlardan kendi iç kısmını koruyan bir kapalı iletken kabuktur.
İletkenlerde Yükler ve Elektrik Alanlar
Faraday kafesinin işlevini nasıl olduğunu öğrenmeden önce hatırlamamız gereken bazı bilgiler var. Gauss yasasının bir sonucu olarak bir elektrik iletkeninde pozitif veya negatif olarak tüm fazlalık yükler iletkenin yüzeyi üzerinde bulunması gerekir, eğer iletken denge durumunda ise tabi. Buna ilaveten iletken içindeki elektrik alan da sıfırdır. Herhangi bir elektrik kuvvete veya alanlara tepki olarak bir iletken etrafındaki yükler serbest hareket ederler. Yani yükler iç elektrik alan sıfır olana dek kendilerini yeniden düzenleyeceklerdir.
Faraday Kafesi Etkisi
1836 yılında Michael Faraday tarafından keşfedilen bir olay olan Faraday kafesi az önce bahsettiğimiz ilkelere bağlıdır. Bir Faraday kafesi kapalı bir iletken kabuktur ve katı bir iletken kabuk veya tel örgüden yapılan bir kabuk olabilir. Önemli olan şey tamamen kapalı olan bir yeri, bölgeyi kaplıyor olmasıdır.
Bir enerji santralinde Faraday kafesi
Bu içi boş iletken kabuk içinde herhangi bir elektrik alan olmayacaktır, hatta çok güçlü dış elektrik alanın olduğu bir yerde olsa bile. Çünkü iletken yüzeyindeki yükler iç elektrik alan sıfır olana dek kendilerini yeniden düzenleyeceklerdir. Bir Faraday kafesinin tersi de çalışır. Eğer içinde güçlü bir elektrik alan varsa, kafesin dışındaki elektrik alan bu defa sıfır olacaktır.
Bu Faraday kafesi etkisi Faraday kafeslerin güçlü elektrik alanlar ve diğer elektriksel etkiler için kalkan olarak davranmalarına neden olur. Buna ek olarak, elektromanyetik dalgalar salınan elektrik ve manyetik alanlardan oluşur. Böylelikle Faraday kafesleri elektromanyetik dalgalara veya elektromanyetik radyasyona karşı kalkan etkisini görebilir, tabi tel örgüdeki delikler elektromanyetik dalgaların dalgaboyundan çok küçük olduğu sürece. Bu nedenle Faraday kafesleri bazen Faraday kalkanları olarak da adlandırılır.
Faraday Kafeslerinin Uygulamaları
1902 yılında Eiffel Kulesi yıldırım çarpmasından etkilenirken… Credit: NOAA
Faraday kafeslerinin belki de en çarpıcı uygulaması yıldırım çarpmalarına karşı sağladığı korumadır. Eğer yıldırım çarpması metal bir kapalı uçağı veya arabayı etkilerse, içindeki insanlar metalik yüzeyin dışı elektriksel olarak bir temasa girmedikleri sürece güvende kalacaktırlar. Kapalı metalik araç veya uçak bir Faraday kafesi gibi davranır ve yıldırımın güçlü elektrik alanından iç kısmı korur. Özellikle uçak seyahatlerinde sıkça görülebilen bu durum için Faraday kafesi can güvenliği konusunda önemli bir uygulamaya sahiptir. Bu nedenle biraz daha detaylı ele alalım.
Alüminyum ya da başka herhangi bir elektriksel iletken metalden yapılmış bir gövdeye sahip bir uçak pilotlar ve yolcuların etrafında bir Faraday kafesi oluşturacaktır. Eğer uçak bir elektrik fırtınası içinde uçuyor ve yıldırım çarpmasına uğruyorsa, iç elektrik alan içi boş metal gövde boyunca sıfır olarak kalır ve yolcular güvendedir.
Uçaktaki yolcular elektriksel temasta bulunmadıkları sürece bu şekilde güvende kalacaklardır. Elektrik alan Faraday kafesi içinde sıfır olduğu için, elektrik yükleri yüzeyin üzerinde kendilerini yeniden düzenlemeliler. Faraday kafesinin dışında bu şekilde hareketlenen yükler güçlü elektrik akımları üretirler. Bu nedenle uçağın yolcuları uçağın dış kabuğu ile elektriksel bir temas içinde olmamalıdırlar.
Bir metalden yapılmış araba veya diğer araçlar da aynı nedenden ötürü bir elektrik fırtınasında (yıldırımlı bir havada) güvenli bir yer olabilirler. Fiberglas gövdeye sahip bir araba Faraday kafesi oluşturmayacaktır, ancak kapalı metalik bir kabuğa sahip herhangi bir araç Faraday kafesi oluşturabilir. Eğer bir araba ile yolculuk ederken ciddi bir elektrik fırtınasına yakalanırsak, bu metal arabanın içinde fırtınan bitmesini beklemeniz gerekir. Durun ve motoru kapatın. Ülkemizde bu denli tehlikeli olabilecek hava olayları sık sık olmasa da, tedbirli olmak en iyisi. Motoru kapattıktan sonra metal veya arabanın dışıyla ilgili bir elektrik temas olabilecek herhangi bir şeye dokunmadan arabada oturulmalı tehlikeli görünen durumlarda. Çünkü arabadan çıkıp dışarıda beklemek daha tehlikeli olacaktır.
Eğer araç civarında bir yıldırım çarpması olursa, çarpmanın şiddetine bağlı olarak araç ve aracın elektriksel aksamı zarar görebilir. Ancak Faraday kafesi araç içindeki yolculara mümkün olan en iyi korumayı sağlar, böyle bir durum olduğunda.
Aşağıdaki video havaalanında bekleyen bir uçağa yıldırım çarpması anını göstermektedir, uçağın dış kısmındaki güçlü elektrik akımları görülebilir:
Yıldırım çarpmalarına karşı Faraday kafeslerinin sağladığı bu kolaylıkların yanı sıra başka uygulamalara da sahiptir.
AC akımları elektrik alanların indükleyen değişen manyetik alanlara neden olur. Bu elektrik alanlar hassas elektronik aygıtları bozabilir, bu yüzden parazit elektromanyetik alanlardan önemli elektronik parçaları korumak için Faraday kafesleri kullanılır. Koaksiyel kablolar da Faraday kalkanları sağlamak amacıyla bir iletken kabuk tarafından çevrilir.
Faraday kafesleri elektromanyetik dalgaları engeller. Binalar veya odalar hassas elektronik için elektromanyetik girişimi önlemek amacıyla veya yüksek güvenlikli durumlarda casusluğu önlemek amacıyla Faraday kafesleri tasarlayarak inşa edilebilir. Önemli miktarda kendi inşaatlarında metal olan binalar veya odalarda tasarlanarak Faraday kafesleri olmayabilir. Böyle bir durumda cep telefonu ve diğer kablosuz iletişimi engelleyebilir.
Bir mikrodalga fırının metal kaplaması bir Faraday kafesi olarak da davranır ve fırının içinde mikrodalgaları tuzaklar.
Faraday kafeslerinin yanı sıra Michael Faraday, Faraday’ın elektromanyetik indüksiyon yasasını keşfetmişti.
Gökhan Atmaca, MSc. twitter.com/kuarkatmaca
Kaynaklar:
- Paul A. Beckert, Understanding of Faraday Cage, Suite101
- Paul A. Beckert, Faraday Cages and Lightning Safety, Suite101
