Gabbia di Faraday

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La gabbia di Faraday protegge chi sta all'interno dalle scariche elettriche.

Con gabbia di Faraday si intende qualunque sistema costituito da un contenitore in materiale elettricamente conduttore (o cavo conduttore) in grado di isolare l'ambiente interno da un qualunque campo elettrostatico presente al suo esterno, per quanto intenso questo possa essere.

È utilizzato il termine gabbia per sottolineare che il sistema può essere costituito, oltre che da un foglio metallico continuo, anche da una rete o una serie di barre opportunamente distanziate.

Questo effetto schermante è utilizzato per proteggere ambienti e apparati da campi esterni, come per esempio quelli generati dai fulmini.

Un'altra applicazione si ha in elettronica per eliminare le interferenze di campi elettromagnetici esterni in apparecchi radio e per telecomunicazioni, oppure per evitare la fuoriuscita di campi elettromagnetici da un ambiente, come nel caso del forno a microonde. In quest'ultimo è presente una rete metallica sullo sportello: in questo modo durante il suo utilizzo si è schermati dalle microonde mantenendo la possibilità di vedere le pietanze.

La scoperta di Faraday[modifica | modifica wikitesto]

Entrata di una stanza di Faraday

Nel 1836, Michael Faraday osservò che in un conduttore cavo, elettricamente carico, le cariche si concentrano sulla superficie esterna e non hanno alcuna influenza su ciò che si trova all'interno. Per dimostrarlo costruì una stanza rivestita da un foglio metallico e applicò dall'esterno l'alta tensione prodotta da un generatore elettrostatico. Utilizzando un elettroscopio mostrò che all'interno della stanza non era presente carica elettrica.

Principio di funzionamento[modifica | modifica wikitesto]

Video che dimostra come una persona all'interno della gabbia rimanga illesa nonostante questa sia colpita da ripetute scariche elettriche
Distribuzione delle cariche in una gabbia di Faraday.

Il funzionamento della gabbia di Faraday è spiegabile in funzione del teorema di Gauss che permette di descrivere la distribuzione di carica elettrica in un conduttore.

Intuitivamente, poiché le cariche di segno uguale si respingono, esse tendono a portarsi alla massima distanza reciproca, che corrisponde alla situazione in cui esse sono concentrate alla periferia del conduttore. Se la superficie è approssimabile ad un conduttore ideale (quale una superficie metallica chiusa), su di essa si determina una superficie equipotenziale, ovvero una superficie in cui il potenziale elettrico è identico in ogni punto. Ne consegue che, in conseguenza del teorema di Gauss e della divergenza, non essendo presenti cariche all'interno, il campo elettrostatico interno alla gabbia deve essere nullo, se la gabbia è immersa in un campo elettrico di molti kV/m.
Dal medesimo teorema di Gauss, deriva anche il principio di funzionamento del parafulmine a punta. Il potere delle punte è la tendenza delle cariche elettriche ad accumularsi dove la superficie è più piccola, essendovi il campo elettrico più intenso.

La gabbia di Faraday è meglio comprensibile come approssimazione di un conduttore cavo ideale. Campi elettromagnetici applicati esternamente o internamente producono forze sui portatori di carica (in genere elettroni) all'interno del conduttore, le cariche vengono ridistribuite di conseguenza (e così si generano correnti elettriche di breve durata). Dopo che le cariche si sono ricollocate in modo da annullare il campo elettrico applicato all'interno, le correnti cessano. Se una carica viene posto all'interno di una gabbia di Faraday senza messa a terra, la faccia interna della gabbia diventa carica (allo stesso modo accade sulla faccia esterna per una carica esterna) per impedire l'esistenza di un campo all'interno del corpo della gabbia. Tuttavia, questo carica della faccia interna ridistribuisce le cariche nel corpo della gabbia. Questa carica la faccia esterna della gabbia con una carica uguale in segno e grandezza a quella posizionata all'interno della gabbia mentre sulla faccia interna ci sarà la medesima carica ma con segno opposto (si guardi l'illustrazione nella voce "conduttore elettrico").

Poiché la carica interna e la faccia interna si annullano a vicenda, la diffusione di cariche sulla faccia esterna non è influenzata dalla posizione della carica interna alla cavità della gabbia. Così la gabbia genera lo stesso campo elettrico che genererebbe se fosse semplicemente influenzata dalla carica posta all'interno. Lo stesso non vale per le onde elettromagnetiche in cui campo elettrico e magnetico sono variabili nel tempo. Nel caso in cui la carica interna venga posta sulla superficie interna in un breve lasso di tempo i portatori torneranno a distribuirsi in modo uniforme ed equo sulle due pareti ma il conduttore non sarà più complessivamente neutro perciò metà della carica inizialmente nella cavità sarà sulla superficie interna e metà su quella esterna perciò le due pareti avranno medesima carica con lo stesso segno. Se la gabbia è a terra, le cariche in eccesso andranno alla terra invece che alla faccia esterna, per cui la faccia interna e la carica interiore si annullano a vicenda e il resto della gabbia manterrà una carica neutra e ciò costituisce un efficace dispositivo di sicurezza. Lo stesso accade se la carica in eccesso va a collocarsi sulla superficie esterna, ad esempio come un fulmine che va a colpire la gabbia.

Il modello precedentemente descritto si applica a campi statici. Qualora si considerino campi elettromagnetici, l'effetto è spiegabile in modo differente. Un campo elettromagnetico che incide sulla superficie conduttrice vi induce un movimento di cariche (corrente elettrica) che genera un campo magnetico tale da opporsi al campo inducente (vedi Legge di Faraday-Neumann-Lenz). Ciò di fatto impedisce al campo di attraversarla, sia verso l'interno, che verso l'esterno. L'efficacia di schermatura di un campo elettrico statico dipende dalla geometria del materiale conduttivo. Nel caso di un campo elettrico variabile non lineare, e quindi un campo magnetico variabile accoppiato, più veloci sono le variazioni (cioè, maggiori sono le frequenze), meglio il materiale resiste alla penetrazione, ma d'altra parte aumenta anche il campo elettromagnetico che passa attraverso una maglia di dimensione data della gabbia. In questo caso la schermatura dipende anche dalla conducibilità elettrica dei materiali conduttori utilizzati nelle gabbie, così come dal loro spessori. Nelle realizzazioni pratiche l'effetto schermante è limitato dalla resistenza elettrica del materiale che per effetto Joule riduce l'entità delle correnti indotte. Molti materiali conduttori presentano, inoltre, il fenomeno del ferromagnetismo, che limita l'effetto schermante alle basse frequenze. La profondità a cui il campo elettromagnetico riesce a penetrare è descritta dall'effetto pelle.

Impianto parafulmine[modifica | modifica wikitesto]

La gabbia di Faraday è il sistema di protezione più adottato per la protezione degli edifici contro le scariche atmosferiche.

La gabbia di Faraday è formata da:

  • organi di raccolta costituiti da una rete di conduttori elettrici a maglie saldate fra loro disposti sulla copertura da proteggere;
  • organi di discesa o calate che collegano gli organi di raccolta ai dispersori di terra dell'edificio.

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