Yıldırımdan Korunma Yöntemlerinde Faraday Kafesinin Yeri

Faraday kafesi, Michael Faraday tarafından 1836 yılında keşfedilen ve dışarıdan gelen elektromanyetik dalgaları bloke eden önemli bir buluştur. Günlük hayatımızda farkında olmadan birçok faraday kafesi uygulamasıyla karşılaşırız. Bu sistemler sayesinde elektromanyetik dalgaların zararlı etkilerinden korunuruz. Özellikle yıldırım gibi doğal elektrik deşarjlarına karşı binalarımızı ve elektronik cihazlarımızı güvende tutmaktadır. Bu teknoloji, modern yaşamın görünmez kahramanlarından biridir.

Faraday Kafesi Nedir?

İletken bir malzemeden yapılmış kapalı bir kafes sistemi olan faraday kafesi, elektrik yüklerinin sadece yüzeyde dağılması prensibine dayanır. Bu fizik prensibi, İngiliz bilim insanı Michael Faraday'ın elektrik ve manyetizma üzerine yaptığı deneylerden doğmuştur. Faraday kafesi ne işe yarar diye düşündüğümüzde, en temel işlevi dış elektromanyetik alanların içeriye nüfuz etmesini veya içerideki elektromanyetik dalgaların dışarıya çıkmasını engellemektir. Bu iletken kafes, üzerine düşen elektrik akımını yüzeyinde dolaştırarak içerideki boşluğu korur. Böylece kuvvetli elektrik alanlarının zararlı etkilerinden iç kısmı izole eder.

Faraday Kafesi Nasıl Çalışır?

Çalışma prensibi, elektrostatik indüksiyon olarak bilinen fiziksel bir olguya dayanır. Dışarıdan gelen elektrik alanı, kafes üzerindeki serbest elektronların yer değiştirmesine neden olur. Bu elektronlar kafes yüzeyinde yeniden dağılmaktadır. Bu yeniden dağılım, dış elektrik alanını tam olarak dengeleyen zıt bir elektrik alanı oluşturur. Sonuç olarak, kafesin içindeki net elektrik alanı sıfıra eşit olmakta ve içerideki nesneler tamamen korunmaktadır. Bu nedenle yıldırım çarptığında, elektrik akımı faraday kafesinin dış yüzeyinde kalır. İç kısımdaki insanlar veya elektronik cihazlar zarar görmez.

Faraday kafesinin yapımı, kullanım amacına göre değişiklik gösterir. Temel olarak, bakır, alüminyum veya çelik gibi iletken malzemelerden yapılmış, birbirine bağlı bir ağ veya örgü şeklinde oluşturulur. Kafesin etkinliği, kullanılan malzemenin iletkenliğine, kafes ağının gözenek boyutuna ve korunacak elektromanyetik dalgaların frekansına bağlıdır. Ancak önemli olan nokta, gözenek boyutunun korunmak istenen elektromanyetik dalganın dalga boyundan küçük olmasıdır. Bu şekilde, yüksek frekanslı dalgalar bile faraday kafesi tarafından başarıyla engellenebilmektedir. Bu özellikleri sayesinde, yıldırım gibi yüksek voltajlı elektrik deşarjlarına karşı binalarda koruma sistemlerinin vazgeçilmez bir parçası haline gelmiştir.

Yıldırımdan Korunma Sistemlerinde Faraday Kafesinin Rolü

Yıldırımdan korunma dünyasında faraday kafesi en güvenilir sistemlerden biri olarak öne çıkar. Bu sistemin birincil görevi, canlıları ve nesneleri yıldırımın zararlı etkilerinden korumaktır. Aslında, günümüzdeki IEC 62305 standartında "faraday kafesi" kavramı doğrudan yer almaz. Bu terim Türkiye'de pasif yakalama uçları, çıplak iletkenle yapılan mesh metodu ve binanın yüzeyinden çıplak olarak inen yıldırım iniş iletkenlerinin oluşturduğu sistemi tanımlamak için kullanılmaktadır.

Yapının çatısını ve duvarlarını örten örgülü iletkenlerden oluşan bir koruma sistemi sağlamaktadır. Bu sistem, yakalama uçları, çatı iletkenleri, iniş iletkenleri ve topraklama bileşenleriyle oluşturulmaktadır. Yıldırımdan korunma sistemleri arasında en etkili yöntem olarak kabul edilmektedir. Özellikle veri merkezleri, sunucu odaları, laboratuvarlar, yanıcı ve patlayıcı tesislerde ilk tercih edilen koruma yöntemidir.

TSE EN 62305 standardına göre uygulanan faraday kafesi, koruma düzeylerine göre farklı tasarım kriterleriyle hayata geçirilmektedir. Koruma düzeylerine göre kafes aralıkları şöyle değişir:

Koruma Seviyeleri (E katsayısına göre IEC/TS):

• E > 0,98 → Seviyе 1
• 0,95 < E ≤ 0,98 → Seviye 2
• 0,90 < E ≤ 0,95 → Seviye 3
• 0,80 < E ≤ 0,90 → Seviye 4
• Bu seviyeler belirlenerek projelendirildikten sonra, Faraday kafesi bu kriterlere uygun şekilde uygulanır.

Koruma Seviyelerine Göre Kafes Aralıkları

• I. düzey için 5x5 m
• II. düzey için 10x10 m
• III. düzey için 15x15 m
• IV. düzey için 20x20 m

Buna paralel olarak iniş iletkeni aralıkları da koruma düzeyine göre 10 ile 20 metre arasında değişmektedir.

Faraday kafesi nasıl yapılır konusu, binanın mimari yapısı ve koruma ihtiyacına göre şekillenmektedir. Öncelikle bina sahibi, mimar, yükleniciler ve enerji teminini sağlayan elektrik yüklenicileriyle görüşmeler yapılarak tasarıma ait çizimler hazırlanır. Bu sistemin avantajlarından biri, korunan alan içerisindeki elektromanyetik alanın önemli ölçüde azalması ve yıldırım akımlarının birkaç iletkene ayrılarak güvenli bir şekilde yönlendirilmesidir. Ayrıca, iletken yapılar ve zemin arasında genel eş potansiyel oluşturulmasına katkı sağlar.

Faraday Kafesinin Uygulama Alanları ve Yapımı

Günlük hayatımızda faraday kafesi uygulamalarıyla sıkça karşılaşırız, ancak çoğu zaman bunun farkında bile olmayız. Mikrodalga fırınlar, otomobiller, uçaklar ve hatta cep telefonları için üretilen özel kılıflar bu prensiple çalışan uygulamalardır. Faraday kafesi ne işe yarar sorusunun cevabı, kullanım alanlarına göre değişse de temel amaç her zaman elektromanyetik dalgaların kontrolüdür.

Hastanelerde kullanılan MR görüntüleme odaları, dışarıdaki elektromanyetik dalgaların içeri girmesini engellemek için faraday kafesi prensibiyle tasarlanmaktadır. Böylece görüntüleme sırasında dış elektromanyetik dalgaların karışması önlenmektedir. Ayrıca, veri merkezleri, askeri tesisler ve laboratuvarlar gibi hassas elektronik ekipmanların bulunduğu yerlerde de elektromanyetik girişimi engellemek için bu sistem kullanılmaktadır. Bazı sosyalleşme mekanları bile teknoloji kullanımını sınırlandırmak amacıyla faraday kafesi ile kaplanabilmektedir.

Binalarda uygulanan yıldırımdan korunma amaçlı faraday kafesi sisteminde ise yapının dış yüzeyi iletken tellerle ağ şeklinde örülmektedir. Tüm iletkenler ve sivri metaller (yıldırım yakalama uçları) birbirine bağlanarak topraklanmaktadır.

Sonuç olarak, faraday kafesi sistemleri yıldırımdan korunmak için hayati önem taşımaktadır. Günümüzde teknolojik gelişmelerle beraber bu sistemler daha da gelişmiş ve çeşitlenmiştir. Gelecekte de elektromanyetik kirlilik arttıkça bu teknolojinin önemi daha da artacaktır. Bu nedenle, elektronik cihazlarımızı ve yapılarımızı korumak için bu sistemin prensiplerini anlamak ve doğru uygulamak hayati önem taşımaktadır.

Sık Sorulan Sorular (SSS)

Faraday Kafesinin Yıldırımdan Korunmadaki Rolü Nedir?

Binaları yıldırım çarpmalarına karşı korumada etkili bir yöntemdir. Yıldırım akımını yapının dış yüzeyinde tutarak   insanları ve elektronik cihazları güvende tutar.

Faraday Kafesi Manyetik Alanlardan Korur Mu?

Evet, hem statik hem de değişken elektromanyetik alanlardan koruma sağlar. Bu özelliği sayesinde hassas elektronik cihazları ve ölçüm aletlerini dış etkilerden korur.

Faraday Kafesi ile Yıldırımdan Korunma Yönteminde Kullanılan Ekipmanlar Nelerdir?

1. Çatı İhata İletkenleri

• Bakır, CCA İletken, Alüminyum veya Galvanizli çelik iletkenlerle oluşturulur
• Bina çevresinde toprak içinde ve beton içinde kullanılan Bakır veya galvanizli çelik iletkenler

2. Aktif ve Pasif Uçlar

• Yıldırımı önce yakalar, sonra iletken yollarla toprağa iletir
• Pasif yakalama uçlarının yapımında Bakır, Alüminyum, Galvanizli Çelik ve Paslanmaz malzemeler tercih edilir.

3. İniş İletkenleri

• Paratonerden ya da çatının iletken ağından topraklama sistemine yıldırım akımını taşıyan iletkenlerdir
• Genellikle mono bakır, galvanizli çelik, alüminyum iletkenler kullanılır
• Proje tasarımına göre beton içerisinde bulunan donatı demirleri iniş iletkeni olarak kullanılabilir

4. Topraklama Elektrotları

• Yıldırım akımının toprağa güvenli şekilde yayılmasını sağlar
• Çubuk, levha veya halka tipi olabilir
• Galvanizli çelik, bakır veya paslanmaz çelikten yapılır
• Topraklama Elektrodu veya iletkeni olarak alüminyum iletken kullanılması uygun değildir.