Avete mai sentito dire che in caso di tempesta, per proteggervi dai fulmini, basta rimanere in auto? Il principio della gabbia di Faraday spiega proprio questo fenomeno. Questo concetto fondamentale della fisica descrive come un involucro conduttore possa isolare l’ambiente interno dai campi elettrici esterni, con importanti applicazioni pratiche.
Indice dei contenuti
Cos’è la gabbia di Faraday e a cosa serve
Una gabbia di Faraday è un sistema contenitore in materiale conduttore che serve a isolare l’ambiente interno da un qualunque campo elettrostatico esterno. Questo dispositivo permette di schermare da scariche elettriche o onde elettromagnetiche, proteggendo ciò che si trova al suo interno.
Definizione e caratteristiche
Il termine gabbia sottolinea che il contenitore può essere costituito non solo da un foglio metallico continuo ma anche da una rete a maglie fitte o una serie di barre distanziate. La caratteristica fondamentale di una gabbia di Faraday è la sua capacità di bloccare e ridistribuire le cariche elettriche esterne sulla sua superficie.
Esperimenti sulla gabbia di Faraday
Esistono molti esperimenti in cui vengono lanciate forti scariche elettriche su una gabbia con all’interno una persona, senza che questa ne esca minimamente lesa. La gabbia, attraversata dalla carica, una volta raggiunto un alto potenziale elettrico cercherà di scaricare l’eccesso sui corpi esternamente più vicini. Questi esperimenti dimostrano l’efficacia della schermatura Faraday.
La scoperta: l’esperimento di Michael Faraday
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 alla base è la gabbia di Faraday. L’aereo è protetto perché la sua fusoliera metallica agisce come uno schermo per i campi elettrici esterni. La storia di questa scoperta risale al 1836.
L’esperimento e la dimostrazione
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, costruì una stanza rivestita da un foglio metallico e applicò all’esterno scariche ad alta tensione. Tramite un elettroscopio dimostrò che all’interno della camera il campo elettrico era nullo. Egli stesso si pose all’interno della gabbia: a sistema elettrizzato, osservò che le foglioline degli elettroscopi collegati con l’interno rimanevano chiuse, mentre quelle degli elettroscopi a contatto con la parete esterna si divaricavano.
La gabbia di Faraday durante la guerra fredda
L’esperimento dimostrò anche che non serve una superficie metallica continua ma basta una griglia. Durante la guerra fredda, i servizi segreti americani avrebbero rivestito le pareti dell’ambasciata statunitense a Mosca con una rete metallica, trasformando l’edificio in una grande gabbia di Faraday per bloccare i tentativi di spionaggio elettronico sovietico.
Il principio fisico alla base del funzionamento
Il teorema di Gauss per l’elettrostatica è fondamentale per descrivere la distribuzione di carica elettrica in un conduttore e per capire il funzionamento della gabbia di Faraday.
Il teorema di Gauss e la distribuzione della carica
In un conduttore in equilibrio elettrostatico, le cariche libere (elettroni) si ridistribuiscono fino a raggiungere una configurazione stabile. Poiché cariche dello stesso segno si respingono, esse tendono a posizionarsi il più lontano possibile le une dalle altre, concentrandosi sulla superficie esterna del conduttore. Questa ridistribuzione ha un effetto fondamentale: all’interno della cavità del conduttore, il campo elettrico totale diventa nullo, perché il campo generato dalle cariche indotte sulla superficie interna annulla perfettamente il campo esterno.
Il potere disperdente delle punte
Dal teorema di Gauss deriva anche il principio di funzionamento del parafulmine. La carica elettrica si dispone sulla superficie di un conduttore, ma se questa è irregolare, la densità di carica non è omogenea. Il potere disperdente delle punte è un fenomeno per cui si forma un campo elettrico molto più intenso in prossimità delle zone in cui la superficie presenta un raggio di curvatura minore, ovvero una punta. Per questo motivo un parafulmine è appuntito: per massimizzare l’accumulo di carica e favorire la scarica elettrica in un punto controllato.
Applicazioni pratiche della gabbia di Faraday
L’effetto schermante della gabbia di Faraday è utilizzato per proteggere persone e dispositivi da campi elettrici esterni, come quelli generati dai fulmini o da interferenze elettromagnetiche.
| Applicazioni comuni della gabbia di Faraday | |
|---|---|
| Applicazione | Funzione di schermatura |
| Automobile e aereo | La carrozzeria metallica protegge i passeggeri dalle scariche dei fulmini |
| Forno a microonde | La rete metallica sullo sportello impedisce alle microonde di fuoriuscire |
| Ascensore | La struttura metallica scherma le onde radio, causando la perdita di segnale del cellulare |
| Apparecchiature elettroniche | Involucri metallici proteggono i componenti sensibili da interferenze elettromagnetiche esterne |
La gabbia di Faraday nel microonde e nella vita di tutti i giorni
Un’applicazione comune si trova nel forno a microonde: la rete metallica visibile sullo sportello è una gabbia di Faraday che confina le onde all’interno, permettendoci però di osservare la cottura. Un altro esempio è l’ascensore: la sua cabina metallica spesso blocca il segnale dei cellulari. Nel film Snowden (2016), il protagonista ripone i cellulari nel microonde proprio per bloccare ogni trasmissione, sfruttando questo principio.
In conclusione, la gabbia di Faraday è un dispositivo di grande utilità, basato su un principio fisico potente, con applicazioni che vanno dalla sicurezza quotidiana alla tecnologia avanzata e che dimostrano l’impatto delle leggi della fisica sul mondo che ci circonda.
Foto di Philippe Donn via Pexels
Articolo aggiornato il: 24/09/2025
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