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¿Cómo funciona una jaula de Faraday?

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Hay muchas posibilidades de que haya pasado una cantidad significativa de su tiempo en una jaula de Faraday en algún momento de su vida. Incluso podría tener uno en su cocina. ¿Sorprendido?

Inventado por primera vez en 1836 por el venerable científico inglés Michael Faraday, se han vuelto omnipresentes en nuestro mundo tecnológico moderno. Desde mantenerte a salvo en el aire hasta guardar secretos de estado, son herramientas simples pero muy poderosas.

En el siguiente artículo, echaremos un vistazo rápido a lo que son y veremos cómo funcionan realmente.

¿Qué es una jaula de Faraday?

Una jaula de Faraday, a veces conocida como escudo de Faraday, es un recinto que se utiliza para proteger las cosas de los campos electromagnéticos (tanto estáticos como no estáticos).

La electricidad estática es aquella donde las cargas están en reposo, de ahí el nombre. En efecto, se acumulan en la superficie de un aislante en particular.

La electricidad no estática o actual es donde los electrones se mueven dentro de un conductor. Las jaulas de Faraday pueden proteger su contenido, o incluso a sus ocupantes, de sentir los efectos de ambos.

Pueden estar hechos de una cubierta continua de material conductor o de una malla fina de material conductor.

Las jaulas de Faraday llevan el nombre de su inventor, el científico inglés Michael Faraday. Los ideó en 1836.

Varían en diseño y tamaño, desde simples vallas de tela metálica hasta finas mallas metálicas de aspecto delicado.

Independientemente de su apariencia exacta, todas las jaulas de Faraday toman cargas electrostáticas, o incluso ciertos tipos de radiación electromagnética, y las distribuyen por el exterior de la jaula.

¿Cuándo se inventó la jaula de Faraday?

En la década de 1800, Michael Faraday había estado poniendo su considerable intelecto en la investigación de la electricidad. Pronto se dio cuenta de que un conductor eléctrico (como una jaula de metal), cuando se cargaba, parecía exhibir esa carga solo en su superficie.

Parecía no tener ningún efecto en el interior del conductor.

Se propuso demostrar esto a mayor escala y, en 1836, ideó un ambicioso experimento.

Durante el ahora legendario experimento, Michael Faraday forró una habitación con papel de aluminio. Luego permitió que descargas de alto voltaje de un generador electrostático golpearan el exterior de la habitación.

Luego utilizó un dispositivo especial llamado electroscopio (un dispositivo que detecta cargas eléctricas) para probar de manera concluyente su hipótesis. Como había sospechado, la habitación estaba completamente desprovista de carga eléctrica.

También confirmó que solo la superficie exterior de la lámina de metal conducía corriente alguna.

Más tarde, Faraday reafirmó sus observaciones con otro experimento famoso: su experimento con un cubo de hielo. Durante este experimento, duplicó un experimento anterior de Benjamin Franklin.

Michael colocó una bola de latón cargada en una taza de metal. Como se anticipó, el experimento confirmó las observaciones anteriores de Franklin y las suyas propias.

Benjamin Franklin también merece algo de crédito

Aunque hoy en día este tipo de aparatos lleva el nombre de Michael Faraday, Benjamin Franklin debe ser reconocido por sus contribuciones casi 90 años antes.

En 1755, el Sr. Franklin observó un fenómeno similar. Bajó una bola de corcho descargada, en un hilo de seda, a través de una abertura en una lata de metal cargada eléctricamente.

Observó que "el corcho no fue atraído hacia el interior de la lata como habría sido hacia el exterior, y aunque tocó el fondo, cuando se extrajo no se encontró electrificado (cargado) por ese toque, como habría sido tocando el exterior. El hecho es singular ".

También pudo demostrar que el corcho se vio afectado por la carga electrostática de la lata al colgarla cerca del exterior de la lata. La bola de corcho se acercó inmediatamente a la superficie de la lata.

Esto, como era de esperar, desconcertó a Franklin en ese momento. Incluso admitió su confusión a un colega en una carta.

"Necesitas la razón; no lo sé. Quizás puedas descubrirlo, y entonces tendrás la bondad de comunicármelo".

Aunque descubrió el efecto años antes que Faraday, Franklin nunca desarrollaría por completo una razón para sus curiosas observaciones. Eso quedaría en manos del gran Michael Faraday décadas después.

¿Cómo funcionan las jaulas de Faraday?

En pocas palabras, las jaulas de Faraday distribuyen la carga electrostática alrededor de su exterior. Por lo tanto, actúan como un escudo para cualquier cosa dentro de ellos.

A este respecto, son una forma de conductor hueco en el que la carga electromagnética permanece solo en la superficie externa de la jaula.

Pero en realidad, como muchas cosas, es un poco más complicado que eso.

A menos que esté familiarizado con el concepto de electricidad y conductores, es posible que desee repasar eso primero antes de continuar. Este video ofrece un pequeño repaso sobre el tema.

En esencia, los conductores tienen un depósito de electrones en movimiento libre que les permiten conducir electricidad. Cuando no hay carga eléctrica presente, el conductor tiene, más o menos, el mismo número de partículas positivas y negativas entremezcladas a lo largo de él.

Si un objeto externo con carga eléctrica se acerca a la jaula, las partículas positivas (núcleos) y negativas libres (electrones) del conductor se separan repentinamente.

Si el objeto que se aproxima tiene carga positiva, los electrones en movimiento libre se dirigen hacia él.

Esto deja al resto del material de la jaula relativamente desprovisto de electrones cargados negativamente, lo que le da una carga positiva. Si el objeto que se aproxima tiene carga negativa, ocurre lo contrario y los electrones son repelidos, pero el efecto neto es el mismo, pero al revés.

Este proceso se llama inducción electrostática y crea un campo eléctrico opuesto al del objeto externo.

Este proceso cancela efectivamente el campo eléctrico externo en toda la jaula. Es este fenómeno el que aísla el interior de la jaula del campo eléctrico externo.

¿Para qué se utilizan las jaulas de Faraday?

Como puede imaginar, estas jaulas son bastante útiles en una variedad de aplicaciones. Es probable que hayas estado en uno muy recientemente.

Los ejemplos más famosos son los automóviles y los aviones. Tanto los fuselajes de un avión como de un automóvil actúan como jaulas de Faraday para sus ocupantes.

Si bien es un problema menor para los automóviles, las huelgas de iluminación en el aire son una ocurrencia bastante común. Gracias al exterior de aluminio del avión, cuando esto ocurre, tanto la delicada aviónica del avión como los invaluables pasajeros quedan completamente ilesos.

Increíblemente apropiado, las salas de escaneo de resonancia magnética son efectivamente imitaciones del famoso experimento de 1836 de Faraday. Deben construirse así para evitar que se agreguen señales de radiofrecuencia externas a los datos de la máquina de resonancia magnética.

Si se les permitiera penetrar en la habitación, podría afectar gravemente a las imágenes resultantes. A pesar de esto, los operadores generalmente están capacitados para detectar interferencias de RF en el caso poco probable de que la jaula de Faraday se dañe.

Los hornos microondas son otro ejemplo notable del uso diario de las jaulas de Faraday. Sin embargo, a diferencia de otras aplicaciones, están diseñadas para funcionar a la inversa y mantener la radiación de microondas dentro del horno.

De hecho, puede ver parte de la jaula en la ventana transparente del horno de microondas.

Resulta que muchos edificios también son jaulas de Faraday accidentales. El uso intensivo de varillas metálicas o mallas de alambre puede causar estragos en las redes inalámbricas de Internet y las señales de los teléfonos móviles.

Otra aplicación interesante de las jaulas de Faraday es la que utilizan los militares y otras organizaciones. Las jaulas de Faraday se utilizan a menudo para proteger la TI vital y otros equipos eléctricos de los ataques EMP y los rayos.

También se utilizan ampliamente en situaciones en las que es necesario bloquear los dispositivos de escucha. Los políticos y otras reuniones de alto nivel a menudo optan por discutir asuntos delicados en salas protegidas especiales con diseño de jaula de Faraday.

¿Son las jaulas de Faraday 100% efectivas?

La eficacia de las jaulas de Faraday se define por el diseño, el tamaño y la elección de los materiales de construcción de las jaulas. Si son de una construcción tipo malla, protegerán sus interiores si el conductor es lo suficientemente grueso y los agujeros en la malla son más pequeños que la longitud de onda de la radiación en cuestión.

Sin embargo, por sorprendentes que sean las jaulas y los escudos de Faraday, están lejos de ser perfectos. En general, no proporcionan un aislamiento del 100% de las ondas electromagnéticas.

Mientras que las longitudes de onda más largas, como las ondas de radio, tienden a ser muy atenuadas o bloqueadas por la jaula, las transmisiones de frecuencia de alta potencia de campo cercano como HF RFID generalmente pueden penetrar el escudo.

Dicho esto, las construcciones de jaulas sólidas, en oposición a las formas de malla, tienden a proporcionar una mejor cantidad de blindaje en un rango más amplio de frecuencias.

Los hornos microondas son un excelente ejemplo del hecho de que las jaulas de Faraday no son 100% efectivas como escudos EM. La mayoría no bloquea toda la radiación de microondas para que no se escape del dispositivo.

Pero esto no es nada de lo que preocuparse. No solo la radiación no es ionizante, sino que los hornos microondas se someten a pruebas exhaustivas antes de ser lanzados para la venta general.

La FDA, por ejemplo, permite una pequeña cantidad de fugas de los hornos microondas. Actualmente está configurado en 5 mW / cm2.


Ver el vídeo: Aprende como funciona la Jaula de Faraday con caballito. (Agosto 2022).