İsmini 19. yüzyılda yaşamış ünlü fizikçi ve kimyacı Michael Faraday’dan alan, çalışma prensibi basit elektrostatik kurallara dayanan bu düzeneği günlük hayatta birçok yerde görebilmek mümkün. Binlerce voltluk elektrik akımlarını perdeleyebilen, fiziksel arka planı 200 yıl önceye giden bu kafesin günlük hayatta nerelerde kullanıldığını ve nasıl çalıştığını inceleyelim.
Faraday kafesleri çevreledikleri hacmi, dışarıda meydana gelen elektriksel alan değişimlerine karşı korurlar. İlginç olan nokta, bunu yaparken hiçbir güç harcamamalarıdır. Bir faraday kafesini fişe takıp çalıştırmanız gerekmez.
Günlük hayatta faraday kafeslerini çevremizde sıklıkla görüyoruz. Bir faraday kafesi yapmak için bir hacmi metal plaka veya gövde ile kapatmak yeterli. Metal gövde oluşturmak için alüminyum folyo gibi pratik malzemeler kullanılabileceği gibi halihazırda faraday kafesi görevi gören eşyalar da vardır. Örneğin: arabalar. Arabalar dış metal gövdeleri nedeniyle faraday kafesi olarak davranırlar. Bu sebepten radyo antenleri arabaların metal gövdesinin dışına konulmak zorundadır.
Radyo dalgaları bir elektromanyetik dalgadır. Gözlerimizin algıladığı görünür bölge ışığı, mikrodalgada yemek ısıtırken kullandığımız ışık, evdeki wireless modemin yaydığı ışınlar ve hastanelerdeki X-ray cihazlarının yaydığı ışınların tamamı elektromanyetik spektrumun farklı enerji bölgelerini kapsayan ışınlardır. Temel farklılıkları enerji seviyesine bağlı olarak değişen dalga boylarıdır. Cep telefonu sinyalleri radyo dalgalarına göre çok daha küçük dalga boyuna sahip olduğundan arabanın içindeyken cep telefonu görüşmesi yapabilirsiniz fakat anteniniz tepede takılı değilse arabanın içinde radyo dinleyemezsiniz.
Faraday kafesinin cep telefonu sinyallerini bloke edebilmesi için metal boşluklarının çok küçük olması, mümkünse hiç olmaması gerekir. Buna en iyi örnek asansörlerdir. Asansörlerde kesintisiz bir metal gövdenin hacmi doldurması nedeniyle, ne radyo dalgaları ne de cep telefonu sinyalleri içeri girebilir. Cep telefonları sinyallerini kesecek bir faraday kafesi yapmanın ev ortamındaki pratik yolu ise yine alüminyum folyoya başvurmaktan geçer. Etrafında hiç boşluk ve açıklık kalmayacak şekilde alüminyum folyo ile sararsanız telefonun sinyal almasını engelleyebilirsiniz.
Faraday Kafesinin Arkasındaki Fizik
Faraday kafesi oluşturabilmek için özellikle metal malzemelerden bahsedilmesinin nedeni, metal malzemeleri ayrıcalıklı kılan bir özellik sebebiyledir: iletkenlik. Malzemelerin iletkenlik ve yalıtkanlık özelliklerinin anlaşılması faraday kafesinin fiziğinin anlaşılmasına giden yolun ilk durağını oluşturur.
İletkenlik
Elektriksel iletkenlik maddenin mikroskobik boyutlarında gerçekleşen olayların sonucudur. Onu anlayabilmek için atomların dünyasına inmek gereklidir. Atom, merkezinde artı yüklü protonların ve yüksüz nötronların yoğunlaştığı, eksi yüklü elektronların ise kuantum mekaniksel kurallar neticesinde çekirdeği çevreleyen yörüngelere yerleştiği bir yapıya sahiptir. Her yörüngeye kaç elektronun yerleşebileceği bellidir. Bazı maddeler öyle elektron sayısına sahiptir ki, tüm yörüngeler elektronlarca doldurulduktan sonra geriye yalnız bir elektron kalır. Son yörüngedeki bu tek elektron, çekirdek tarafından neredeyse hiçbir çekime maruz kalmaz ve serbest haldedir. Küçük bir etkiyle kolayca atomu terk eder ve madde içerisinde serbestçe dolaşır. Milyarlarca atomdan meydana gelen madde düşünüldüğünde her atomdan gelecek son yörünge elektronlarının sayıca yine milyarlarca olacağı ve bir elektron denizini oluşturacakları anlaşılabilir. İşte iletkenliği sağlayan bu elektron denizi yani atomdaki serbest elektronlardır. Metal olarak isimlendirdiğimiz maddeler son yörüngelerinde serbest elektron bulunduğu için iletken özellik gösterirler.
Yalıtkan olarak sınıflandırılan malzemelerin atomlarında elektronlar tüm yörüngeleri doldurmuştur ve boşluk yoktur. Bu durumda son yörüngede kolaylıkla koparılabilecek son yörünge elektronu bulunmaz. Bu malzemeler serbest elektron denizi olmadığı için elektriksel olarak iletken özellik göstermezler.
Elektrik Alan
Doğada elektriksel yükü iki kutuplu olarak ifade ediyoruz: artı ve eksi. Bu yükler birbirlerine etkileşim durumlarına göre farklı büyüklükte ve yönde kuvvet uygularlar. Artı ve eksi yükler birbirini çekerken eksi eksi veya artı artı yükler birbirini iter. Bu kurallar doğa yasaları kapsamındadır ve elektrik yüklü bir kabloyu tuttuğumuzda neden çarpıldığımızdan, duvarların içinden neden geçemediğimize kadar birçok gerçekliğin açıklamasını içinde barındırır.
Elektriksel yüklerin birbirleriyle temas etmedikleri halde uzaktan bu tarz kuvvetler oluşturmalarının arkasında ise çevrelerinde yarattıkları elektrik alanlar bulunur. Esasında doğadaki ‘uzaktan’ etkiyen bütün kuvvet etkileşimleri bir alan vasıtasıyla incelenir. Elektriksel yükler de çevrelerinde oluşturdukları elektrik alan vasıtasıyla etkileşirler. Elektrik alanın yönünü tıpkı artı ve eksi yüklerin seçimindeki keyfilikle, genel bir kabul olarak, artıdan eksiye doğru seçiyor ve gösteriyoruz.
Bir Dış Elektrik Alandaki İletken
İletken bir malzemeye artı yük yaklaştırıldığında 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 oluşturur.
İki boyutlu metal bir çerçeveyi bir elektrik alan altında konumlandırdığımızı düşünelim. Bu durumda elektrik alan yönelimine bağlı olarak metal içerisindeki yükler ayrışacaktır.
Dış elektrik alanın, büyüklüğü ölçüsünde kutupladığı yüzey yükleri, iletkenin içinde, dış elektrik alanla aynı büyüklükte fakat zıt yönlü bir elektrik alan oluşturur. Dolayısıyla iletkenin içinde net elektrik alan sıfırdır.
Faraday kafesinin arkasındaki fizik, iletken malzemelerin, çevreledikleri hacmin içerisinde dış elektrik alanı sıfırlayacak ikincil bir elektrik alan indüklemesidir. Bu nedenle metal malzemeyle çevrili bir hacmin içerisindeyseniz binlerce voltluk tesla bobininin yanında güvenle durabilir fakat çatıdaki anteniniz olmadan arabada radyo dinleyemezsiniz.
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
Oveka.net 
