Le gabbie di Faraday sono disponibili in tutte le forme e dimensioni, ma tutti usano uno schermo metallico che conduce elettricità, creando un effetto schermante. Tecnologie Hemera/©Getty Images/Thinkstock L'elettricità è la linfa vitale di molti aspetti del nostro mondo. Senza volt e ampere, molte delle nostre innovazioni tecnologiche cesserebbero di esistere. Anche i nostri corpi non funzionerebbero senza una carica elettrica che sfreccia attraverso le nostre cellule. Ma ciò che l'elettricità dà, l'elettricità può portare via.
Sebbene questa forma di energia sia vitale per gran parte della nostra vita, è una di quelle cose che vanno bene solo nelle giuste quantità. Troppa elettricità può fulminare le persone. Allo stesso modo, può uccidere la nostra elettronica e le nostre macchine moderne.
Ma grazie a Michael Faraday, il brillante scienziato del XIX secolo, e una delle sue omonime invenzioni, la gabbia di Faraday, noi umani abbiamo sviluppato molti modi per controllare l'elettricità e renderla più sicura per i nostri computer, automobili e altre invenzioni -- e per noi, pure.
Le gabbie di Faraday proteggono il loro contenuto dai campi elettrici statici. Un campo elettrico è un campo di forza che circonda a particella carica , come un elettrone o un protone.
Queste gabbie spesso sembrano distintamente, bene, simile a una gabbia. Alcuni sono semplici come recinzioni a catena o secchi di ghiaccio. Altri usano una sottile rete metallica. Indipendentemente dal loro aspetto esatto, tutte le gabbie di Faraday prendono cariche elettrostatiche, o anche certi tipi di radiazioni elettromagnetiche, e distribuirli intorno all'esterno della gabbia.
Radiazioni elettromagnetiche è tutto intorno a noi. È nella luce visibile e ultravioletta, nelle microonde che cucinano il nostro cibo e persino nelle onde radio FM e AM che pompano musica attraverso le nostre radio. Ma a volte, questa radiazione è indesiderabile e decisamente distruttiva. È qui che entrano in gioco le gabbie di Faraday.
Come una gabbia di Faraday distribuisce quella carica o radiazione intorno all'esterno della gabbia, annulla le cariche elettriche o le radiazioni all'interno della gabbia. In breve, una gabbia di Faraday è un conduttore cavo, in cui la carica rimane sulla superficie esterna della gabbia.
Quella funzione di base ha molti usi affascinanti nel nostro mondo elettricamente disordinato e ricco di tecnologia. E anche se Faraday alla fine avrebbe avuto il suo giorno, lo sfondo per la sua invenzione ha in realtà le sue radici in tempi precedenti. Così, da dove nasce l'idea di queste utilissime gabbie? Scopri nella pagina successiva.
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I primi scienziati sapevano che i fulmini nascondevano i segreti di tutti i tipi di poteri sorprendenti. Ben Franklin ha condotto molti esperimenti cercando di svelare i misteri dell'elettricità. iStockphoto/Thinkstock È stato Ben Franklin che ha contribuito a ispirare molte delle idee dietro le gabbie di Faraday. Franklin, Certo, trascorse parte della sua illustre carriera facendo volare gli aquiloni nei temporali nel tentativo di attirare i fulmini e quindi era già in qualche modo a conoscenza dei capricci e dei concetti dell'elettricità.
Nel 1755, Franklin iniziò a giocare con l'elettricità in modi nuovi. Ha elettrificato una lattina di una pinta d'argento e vi ha calato dentro una pallina di sughero non carica attaccata a un filo di seta non conduttivo. Abbassò la palla fino a toccare il fondo della lattina e osservò che la palla non era attratta dai lati interni della lattina. Eppure, quando Franklin ritirò la pallina di sughero e la fece dondolare vicino all'esterno della lattina elettrificata, la palla è stata immediatamente attirata sulla superficie della lattina.
Franklin era sconcertato dall'interazione tra l'elettricità e gli oggetti carichi e non caricati. Lo ha ammesso in una lettera a un collega:"Lei richiede il motivo; io non lo so. Forse lo scoprirai, e poi sarai così gentile da comunicarmelo».
Decenni dopo, un fisico e chimico inglese di nome Michael Faraday fece altre osservazioni pertinenti, vale a dire, si rese conto che un elettrico conduttore (come una gabbia di metallo), quando addebitato, mostrava quella carica solo sulla sua superficie. Non ha avuto alcun effetto sull'interno del conduttore.
Faraday ha riaffermato questa osservazione rivestendo una stanza con un foglio di metallo e quindi caricando il foglio con l'uso di un generatore elettrostatico. Ha messo un elettroscopio (un dispositivo che rileva le cariche elettriche) all'interno della stanza, e, come aveva previsto, lo scopo indicava che non vi era alcun addebito all'interno della stanza. La carica si è appena spostata lungo la superficie della lamina e non è penetrata affatto nella stanza.
Faraday esaminò ulteriormente questo fenomeno con il suo famoso esperimento con il secchio di ghiaccio. In questa prova, ha sostanzialmente duplicato l'idea di Franklin abbassando una sfera di ottone carica in una tazza di metallo. Come previsto, i suoi risultati erano gli stessi di Franklin.
Questo concetto ha tutti i tipi di applicazioni sorprendenti, ma eccone uno rilevante per chiunque sia mai stato su un aereo. Immagina di volare su un aereo che viene improvvisamente colpito da un fulmine. Questo non è un evento raro, in realtà accade regolarmente, tuttavia l'aereo ei suoi passeggeri non sono stati colpiti. Questo perché lo scafo in alluminio dell'aereo crea una gabbia di Faraday. La carica del fulmine può passare innocuamente sulla superficie dell'aereo senza danneggiare l'attrezzatura o le persone all'interno.
non è scioccante, veramente. È solo scienza. Nella pagina successiva, vedrai come funziona davvero questo tipo di design intelligente della gabbia.
Per capire come funzionano le gabbie di Faraday, è necessaria una conoscenza di base di come funziona l'elettricità nei conduttori. Il processo è semplice:oggetti in metallo, come una rete di alluminio, sono conduttori, e avere elettroni (particelle cariche negativamente) che si muovono al loro interno. Quando non è presente carica elettrica, il conduttore ha all'incirca lo stesso numero di particelle positive e negative che si mescolano.
Se un oggetto esterno con una carica elettrica si avvicina al conduttore, le particelle positive e negative si separano. Gli elettroni con una carica opposta a quella della carica esterna sono attratti da quell'oggetto esterno. Gli elettroni con la stessa carica dell'oggetto esterno vengono respinti e si allontanano da quell'oggetto. Questa ridistribuzione delle spese si chiama induzione elettrostatica .
Con l'oggetto carico esterno presente, le particelle positive e negative si avvolgono sui lati opposti del conduttore. Il risultato è un campo elettrico opposto che annulla il campo di carica dell'oggetto esterno all'interno del conduttore metallico. La carica elettrica netta all'interno della rete di alluminio, poi, è zero.
Ed ecco il vero kicker. Anche se non c'è carica all'interno del conduttore, il campo elettrico opposto ha un effetto importante:protegge l'interno dalle cariche elettriche statiche esterne e anche dalle radiazioni elettromagnetiche, come le onde radio e le microonde. Qui sta il vero valore delle gabbie di Faraday.
L'efficacia di questa schermatura varia a seconda della costruzione della gabbia. Variazioni nella conduttività di diversi metalli, come rame o alluminio, influenzare la funzione della gabbia. Anche la dimensione dei fori nello schermo o nella rete cambia le capacità della gabbia e può essere regolata in base alla frequenza e alla lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica che si desidera escludere dall'interno della gabbia.
Le gabbie di Faraday a volte hanno altri nomi. Si possono chiamare Scudi di Faraday , RF ( frequenza radio ) gabbie , o EMF ( forza elettromotiva ) gabbie .
Non importa come li chiami, Le gabbie di Faraday sono più spesso utilizzate nei laboratori scientifici, sia negli esperimenti che nello sviluppo del prodotto. Nella pagina successiva, scoprirai esattamente come gli ingegneri mettono alla prova questi scudi ingegnosi.
Non quello che Michael aveva in menteQuando Faraday costruì la sua prima gabbia, probabilmente non aveva il furto nel cervello. Ma i poliziotti spesso catturano i taccheggiatori che foderano borse con fogli di alluminio, che interferisce con i tag RFID antifurto apposti su prodotti costosi nei negozi al dettaglio.
Proveniva da una famiglia povera e da bambino aveva poca istruzione, ma Michael Faraday è diventato uno degli scienziati più famosi e rinomati del mondo. Hemera/Thinkstock Le persone usano le gabbie di Faraday per una vasta gamma di scopi, a volte in ambienti di laboratorio esoterici, altre volte in prodotti comuni. La tua auto, Per esempio, è fondamentalmente una gabbia di Faraday. È l'effetto della gabbia, non le gomme di gomma, che ti protegge in caso di fulmine nelle vicinanze.
Molti edifici fungono da gabbie di Faraday, pure, se solo per caso. Con le loro pareti in gesso o cemento cosparse di tondini metallici o reti metalliche, spesso devastano le reti Internet wireless e i segnali dei cellulari.
Ma l'effetto schermante più spesso avvantaggia l'umanità. I forni a microonde invertono l'effetto, intrappolare le onde all'interno di una gabbia e cucinare rapidamente il cibo. I cavi TV schermati aiutano a mantenere una nitidezza, immagine nitida riducendo le interferenze.
Gli uomini della linea elettrica spesso indossano abiti appositamente realizzati che sfruttano il concetto della gabbia di Faraday. All'interno di questi abiti, i guardalinee possono lavorare su linee elettriche ad alta tensione con un rischio di folgorazione molto ridotto.
I governi possono proteggere le apparecchiature di telecomunicazione vitali da fulmini e altre interferenze elettromagnetiche costruendo intorno a loro gabbie di Faraday. I laboratori scientifici di università e aziende utilizzano gabbie di Faraday avanzate per escludere completamente tutte le cariche elettriche esterne e le radiazioni elettromagnetiche per creare un ambiente di test totalmente neutro per tutti i tipi di esperimenti e sviluppo del prodotto.
Incuriosito? Continua a leggere, e vedrai altri modi selvaggi in cui questo semplice effetto gabbia viene utilizzato per scopi sofisticati.
Crea la tua gabbiaNon è necessario spendere milioni o avere una laurea in fisica per creare la propria gabbia di Faraday. Su internet, puoi trovare le istruzioni per costruire una semplice gabbia da comuni prodotti per la casa.
I forni a microonde sono un prodotto comune che utilizza una gabbia di Faraday. Invece di tenere fuori le microonde, li costringono in una piccola camera di cottura che "nucleare" il cibo. Jupiterimages/©Getty Images/Thinkstock Passa da un ospedale e troverai le gabbie di Faraday sotto forma di risonanza magnetica ( scansione a risonanza magnetica ) camere. Le scansioni MRI si basano su potenti campi magnetici per creare scansioni del corpo umano utili dal punto di vista medico. Le sale per la risonanza magnetica devono essere schermate per evitare che i campi elettromagnetici vaganti influenzino le immagini diagnostiche del paziente.
Ci sono molti usi politici e militari per le gabbie di Faraday, pure. I politici possono scegliere di discutere questioni delicate solo in stanze schermate che possono bloccare le tecnologie di intercettazione. Tutte le moderne forze armate dipendono dall'elettronica per le comunicazioni e dai sistemi d'arma, ma c'è un problema:questi sistemi sono vulnerabili all'aggressività EMP ( impulsi elettromagnetici ), che può essere il risultato di una tempesta solare o persino di attacchi EMP artificiali. Per salvaguardare i sistemi critici, i militari a volte usano bunker e veicoli schermati.
È per questo stesso motivo che le gabbie di Faraday sono un soggetto affezionato nella sottocultura survivalista. Queste persone, che predicano l'autosufficienza e la sfiducia nella risposta del governo di fronte a disastri naturali o causati dall'uomo, credere nella schermatura di tutta l'elettronica importante utilizzando le gabbie di Faraday fatte in casa. In caso di cataclisma apocalittico, avranno ancora le loro radio a onde corte e altri strumenti high-tech che potrebbero salvarvi la vita.
Anche se non sei particolarmente interessato agli scenari del giorno del giudizio, Le gabbie di Faraday probabilmente svolgono un ruolo nella tua vita ogni giorno. Queste gabbie sfruttano un principio di base della fisica e aiutano le persone di tutto il pianeta a mettere in pratica quei principi - per sicurezza, lusso, convenienza e per aiutare ulteriori progressi tecnologici sempre più entusiasmanti.
Pubblicato originariamente:28 giugno 2011
Fonti
