La gabbia di Faraday: cos’è, come funziona e le sue applicazioni

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. Questo articolo approfondirà il concetto di gabbia di Faraday, il suo funzionamento, la sua storia e le sue applicazioni pratiche.

Cos’è la gabbia di Faraday e a cosa serve?

Una gabbia di Faraday è un sistema contenitore in materiale conduttore che serve ad isolare l’ambiente interno da un qualunque campo elettrostatico esterno. Questo dispositivo permette di schermare da scariche elettriche o onde elettromagnetiche.

Definizione e caratteristiche

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. La caratteristica fondamentale di una gabbia di Faraday è la capacità di bloccare le cariche elettriche esterne.

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 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. Questi esperimenti dimostrano l’efficacia della schermatura Faraday.

La scoperta della gabbia di Faraday: 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 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.

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 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. Questo esperimento ha sancito la scoperta della gabbia di Faraday.

La gabbia di faraday durante la guerra fredda

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. Questo aneddoto dimostra la versatilità e l’efficacia del principio di schermatura.

Il principio fisico alla base del funzionamento

Il teorema di Gauss ci fornisce qualche risposta, permettendo di descrivere la distribuzione di carica elettrica in un conduttore. Questo principio è fondamentale per capire il funzionamento della gabbia di Faraday.

Il teorema di Gauss e la distribuzione della carica

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.

Il potere disperdente delle punte

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.

Applicazioni pratiche della gabbia di Faraday

L’effetto schermante della gabbia di Faraday è utilizzato per proteggere ambienti, cose o esseri viventi da campi esterni, proprio come quello generato dai fulmini. Questo dispositivo ha molteplici usi.

Protezione da fulmini e campi elettrici

Questo principio è applicato per proteggere apparecchiature elettroniche sensibili e persino persone, come nel caso di un’auto durante un temporale. La gabbia di Faraday trova applicazione in diversi settori, dalla protezione alla sicurezza.

La gabbia di Faraday nel microonde e nel cinema

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. Anche nel cinema, quindi, questo principio viene rappresentato e spiegato.

Gabbia di faraday: conclusioni

In conclusione, la gabbia di Faraday è un dispositivo di grande utilità, basato su un principio fisico semplice ma potente, con applicazioni che vanno dalla sicurezza quotidiana alla tecnologia avanzata. La sua comprensione ci permette di apprezzare le leggi della fisica e il loro impatto sul mondo che ci circonda.

Foto di Philippe Donn: https://www.pexels.com/it-it/foto/foto-di-fulmini-1114690/