Gabbia di Faraday
Che cos'è e come funziona la gabbia di Faraday?
Quando sono presenti delle cariche elettriche in un conduttore, queste tendono a disporsi in posizione più distanti possibili tra di loro poiché risentono della forza di repulsione elettrica.
I conduttori elettrici consentono il libero passaggio delle cariche elettriche, per cui le cariche si dispongono sulla superficie esterna del conduttore.
È il caso della cosiddetta gabbia di Faraday, dal nome del fisico inglese Michael Faraday (1791 – 1867) che la inventò, costituita da un involucro metallico che quando viene caricato consente alle cariche di disporsi unicamente sulla superficie esterna, senza penetrare all'interno di essa.
Esempi di gabbie di Faraday nella vita di tutti i giorni possono essere le automobili, gli aerei…
La carica elettrica dunque si dispone sulla superficie di un conduttore e se la superficie di quest'ultimo è irregolare allora la densità superficiale di carica non sarà omogenea.
La densità superficiale di carica infatti esprime quanta carica è presente rispetto all'unità di superficie del conduttore e nel caso di una sfera, figura regolare, la densità di carica superficiale sarà la stessa per tutta la sfera.
Nel caso di superfici irregolari invece la carica si concentra maggiormente nei punti in cui il raggio di curvatura risulta minore, mentre ci sarà meno carica nelle parti in cui il raggio di curvatura è maggiore.
All'interno del conduttore dunque non ci saranno cariche libere di muoversi ed il campo elettrico al suo interno vale zero mentre il potenziale elettrico assumerà un valore costante in tutti i punti.
In particolare la densità superficiale di carica risulta molto intensa quando il raggio di curvatura diventa molto piccolo e arriva a livelli molto elevati nelle punte affilate (potere delle punte). Questo è il principio su cui basa il funzionamento di un parafulmine ad esempio.
Principio di funzionamento della gabbia di Faraday
Una gabbia di Faraday costituisce dunque una schermatura dal passaggio di carica esterna che può essere attribuito al conduttore se esso è ad esempio cavo.
Se una gabbia di Faraday, costituita appunto da un involucro metallico, viene portata ad alta tensione, la persona all'interno della gabbia non rischia la fulminazione.
Nonostante il campo elettrico e quindi la tensione elettrica all'esterno della gabbia sia molto intenso all'interno non succede nulla.
In particolare il campo elettrico all'interno di una gabbia di Faraday è nullo in quanto non vi sono cariche in eccesso o in difetto e per il teorema di Gauss per il campo elettrico sappiamo che il flusso del campo elettrico e quindi lo stesso campo dipendono dalla quantità di carica presente all'interno della superficie.
Il potenziale invece all'interno di un conduttore cavo, come è appunto la gabbia di Faraday, rimane costante.
Il fatto che non vi siano cariche elettriche all'interno del conduttore può essere rilevato tramite un elettroscopio collegato direttamente con la parete interna le cui foglioline rimarranno non divaricate.
Invece nell'elettroscopio collegato con la parete esterna si assisterà al divaricamento delle foglioline a causa della presenza di cariche elettriche.
Applicazioni della gabbia di Faraday
Innumerevoli e molto importanti sono le applicazioni che prevedono la schermatura di una gabbia di Faraday.
Innanzitutto non è necessario che la schermatura metallica sia continua, basta anche che sia a rete.
È il caso ad esempio della rete metallica che si intravede sullo sportello di un forno a microonde. Tale schermatura serve a confinare il campo elettrico delle microonde all'interno del forno stesso ma consente allo stesso tempo di vedere all'interno del forno.
L'involucro metallico e la fusoliera di un aereo costituiscono un altro esempio di gabbia di Faraday: anche se l'aereo venisse colpito da un fulmino, l'ingente quantità di carica elettrica rilasciata dal fulmine non penetrerebbe all'interno dell'aereo.
In ascensore molte volte si perde la connessione telefonica del proprio cellulare in quanto la cabina costituisce essa stessa una gabbia di Faraday.
Durante un temporale conviene rimanere in auto anziché scendere per strada: la gabbia con la sua struttura metallica costituisce un altro esempio di gabbia.
Gli edifici moderno in cemento armato sono disseminati di conduttori metallici nella loro struttura ad esempio i tubi metallici o i cavi elettrici costituiscono una gabbia metallica che avvolge l'edificio e lo rende sicuro in caso di scariche elettriche esterne.
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