Avete mai sentito dire che in caso di tempesta per proteggervi dai fulmini basta rimanere in auto? Il principio della gabbia di Faraday spiega questo fenomeno.
A cosa serve la Gabbia di Faraday?
Una gabbia di Faraday è un sistema contenitore in materiale conduttore che serve ad isolare l’ambiente interno da un qualunque campo elettrostatico esterno.
Il termine gabbia è utilizzato per sottolineare che il contenitore può essere costituito non solo da un foglio metallico continuo ma anche da una rete vera e propria o una serie di barre distanziate.
Gabbia di faraday, esistono esperimenti?
Esistono molti esperimenti in cui vengono lanciate forti scariche elettriche su una gabbia con all’interno una persona, senza che lei ne esca minimamente lesa.
La gabbia, attraversata dalla carica elettrostatica, una volta raggiunto un alto potenziale elettrico cercherà di scaricare l’eccessiva potenzialità sui corpi esternamente più vicini.
La scoperta della gabbia di Faraday da parte dell’omonimo scienziato
Si stima che ogni aereo in volo sia colpito da un fulmine almeno una volta all’anno, eppure i passeggeri ne escono sempre illesi. La ragione fisica che sta alla base di questo fenomeno è la gabbia di Faraday. L’aereo è protetto dai fulmini perché altro non è che una gabbia metallica che fa da schermo ai campi elettrici esterni.
La storia della Gabbia di Faraday risale al 1836, anno in cui il chimico e fisico Michael Faraday osservò che in un conduttore cavo carico elettricamente, le cariche si concentrano sulla sua superficie esterna senza avere influenza sull’interno. Per provare la sua teoria lo scienziato costruì una stanza rivestita da un foglio metallico e applicò all’esterno l’alta tensione. Tramite un elettroscopio dimostrò che all’interno della camera non era presente carica elettrica. Egli si pose all’interno di una gabbia metallica chiusa, collegando alcuni elettroscopi sia alla superficie interna che a quella esterna. A gabbia elettrizzata, osservò che le foglioline degli elettroscopi collegati con l’interno rimanevano chiuse, mentre quelle degli elettroscopi a contatto con la parete esterna si divaricavano con la presenza delle cariche elettriche.
L’esperimento dimostrò anche che non serve una superficie metallica continua ma basta una gabbia. Durante la guerra fredda pare che i servizi segreti americani rivestirono le pareti dell’ambasciata degli Stati Uniti a Mosca con una rete metallica, trasformando l’edificio in una grande gabbia di Faraday che non consentiva l’ingresso ai campi elettrici di disturbo inviati dai russi verso l’edificio.
Il principio fisico alla base del fenomeno
Il teorema di Gauss ci fornisce qualche risposta, permettendo di descrivere la distribuzione di carica elettrica in un conduttore. Le cariche di segno uguale si respingono e tendono a distanziarsi reciprocamente, ossia sono concentrate alla periferia del conduttore. Ipotizzando un conduttore ideale, come una superficie metallica chiusa, su di essa si determinerà una superficie equipotenziale, ossia con potenziale elettrico uguale in ogni punto. Il campo elettrico interno, invece, sarà nullo.
Cosa accade nel caso in cui il conduttore presenti una cavità interna? Anche in questo caso, la carica si distribuisce sulla superficie schermando l’interno dal campo elettrico.
Dal teorema di Gauss viene anche il principio di funzionamento del parafulmine a punta. La carica elettrica si dispone sulla superficie di un conduttore ma se questa è irregolare, la densità superficiale di carica non sarà omogenea. Nel caso di una sfera, la carica sarà la stessa per tutta la superficie; nel caso della presenza di vertici e zone con un raggio di curvatura minore questo non accade.
In fisica il potere disperdente delle punte è un fenomeno che si osserva nei conduttori elettricamente carichi. Esso consiste nella formazione di un campo elettrico più intenso in prossimità delle zone in cui la superficie del conduttore presenta un raggio di curvatura minore, ovvero la punta. Quindi anche nel caso del parafulmine, appositamente di quella forma appuntita, le cariche si accumuleranno lì dove la superficie è più piccola.
L’effetto schermante della gabbia di Faraday è usato per proteggere ambienti, cose o esseri viventi da campi esterni, proprio come quello generato dai fulmini.
Un’altra applicazione si trova in elettronica per eliminare le interferenze di campi elettromagnetici esterni in apparecchi radio oppure per evitare la fuoriuscita di campi elettromagnetici da un ambiente, come avviene nel microonde.
Nel microonde è presente una rete metallica sullo sportello: in questo modo le onde sono schermate ma allo stesso tempo possiamo vedere le pietanze. Nel film Snowden (2016), il protagonista ripone i cellulari dei giornalisti nel microonde proprio per evitare che trasmettano qualcosa all’esterno, seguendo il principio della gabbia di Faraday.
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