Gabbia di Faraday
Con gabbia di Faraday si intende qualunque sistema costituito da un
contenitore in materiale elettricamente conduttore (o conduttore cavo)
in grado di isolare l'ambiente interno da un qualunque campo
elettrostatico presente al suo esterno, per quanto intenso questo possa
essere.
È utilizzato il termine gabbia per sottolineare che il sistema può essere
costituito, oltre che da un foglio metallico continuo, anche da una rete o
una serie di barre opportunamente distanziate.
Questo effetto schermante è utilizzato per proteggere ambienti e
apparati da campi esterni, come per esempio quelli generati dai fulmini.
Un'altra applicazione si ha in elettronica per eliminare le interferenze di
campi elettromagnetici esterni in apparecchi radio e per
telecomunicazioni, oppure per evitare la fuoriuscita di campi
elettromagnetici da un ambiente, come nel caso del forno a microonde.
In quest'ultimo è presente una rete metallica sullo sportello: in questo
modo durante il suo utilizzo si è schermati dalle microonde mantenendo
la possibilità di vedere le pietanze.
La scoperta di Faraday
Michael Faraday osservò nel 1836 che in un conduttore cavo
elettricamente carico le cariche si concentrano sulla superficie esterna
e non hanno alcuna influenza su ciò che si trova all'interno. Per
dimostrarlo costruì una stanza rivestita da un foglio metallico e applicò
dall'esterno l'alta tensione prodotta da un generatore elettrostatico.
Utilizzando un elettroscopio mostrò che all'interno della stanza non era
presente carica elettrica.
Principio di funzionamento
Distribuzione delle cariche in una gabbia di Faraday.
Il funzionamento della gabbia di Faraday è spiegabile in funzione del
teorema di Gauss che permette di descrivere la distribuzione di carica
elettrica in un conduttore.
Intuitivamente, poiché le cariche di segno uguale si respingono, esse
tendono a portarsi alla massima distanza reciproca, che corrisponde alla
situazione in cui esse sono concentrate alla periferia del conduttore. Se
la superficie è approssimabile ad un conduttore ideale, su di essa si
determina una superficie equipotenziale, ovvero una superficie in cui il
potenziale elettrico è identico in ogni punto. Ne consegue che, in
conseguenza del teorema di Gauss e della divergenza, non essendo
presenti cariche all'interno, il campo elettrostatico interno alla gabbia
deve essere nullo.
Il modello precedentemente descritto si applica a campi statici. Qualora
si considerino campi elettromagnetici l'effetto è spiegabile in modo
differente. Un campo elettromagnetico che incide sulla superficie
conduttrice vi induce un movimento di cariche (corrente elettrica) tale
da opporsi al campo inducente (vedi Legge di Faraday-Neumann-Lenz).
Ciò di fatto impedisce al campo di attraversarla, sia verso l'interno che
verso l'esterno.
Nelle realizzazioni pratiche l'effetto schermante è limitato dalla
resistenza elettrica del materiale che per effetto Joule riduce l'entità
delle correnti indotte. Molti materiali conduttori presentano, inoltre, il
fenomeno del ferromagnetismo, che limita l'effetto schermante alle
basse frequenze. La profondità a cui il campo elettromagnetico riesce a
penetrare è descritta dall'effetto pelle.
Impianto parafulmine
La gabbia di Faraday è il sistema di protezione più adottato per la
protezione degli edifici contro le scariche atmosferiche.
La gabbia di Faraday è formata da:
organi di raccolta costituiti da una rete di conduttori elettrici a
maglie saldate fra loro disposti sulla copertura da proteggere;
organi di discesa o calate che collegano gli organi di raccolta ai
dispersori di terra
dell'edificio.
Campo elettrico
E' così chiamata ogni regione dello spazio ove si esercitano forze
elettriche su cariche elettriche. Il campo elettrico è determinato in ogni
punto dalla grandezza vettoriale E , quindi è definito in ogni punto da una
intensità, una direzione ed un verso. L'intensità, la direzione ed il verso
sono pari a quelli della forza elettrica che agisce su un'unità di carica
positiva posta in quel punto. Se ne ha una rappresentazione visibile
mediante le linee di forza e le superfici equipotenziali. Le linee di forza
sono linee orientate secondo il verso di E le cui tangenti coincidono in
ogni punto del campo con la direzione del vettore E .
Con potenziale di un punto del campo elettrico si intende il valore di
energia potenziale che l'unità di carica positiva possiede in quel punto.
Si sceglie a piacere un punto come punto zero dell'energia potenziale. I
punti di eguale potenziale sono posti su superfici equipotenziali, tali
superfici sono perpendicolari alle linee di forza. Una carica elettrica
positiva può essere mossa su di una superficie equipotenziale senza
perdita ne guadagno di energia, mentre per essere mossa da una
superficie a minor potenziale verso una a maggior potenziale richiede un
lavoro che, infine, si ritrova sotto forma di maggior energia potenziale
posseduta dalla carica. Qualunque carica positiva collocata in un punto
del campo elettrico tende a muoversi nel verso della linea di forza
passante per quel punto, così facendo vede diminuire il proprio
potenziale.
Si definisce differenza di potenziale tra due punti M, N del campo
elettrico la differenza tra il potenziale nel primo punto ed il potenziale
nel secondo punto : VMN = VM - VN .
Nota Bene.: quello di campo è un concetto fondamentale per la
descrizione di stati ed effetti nello spazio, risalente a Faraday. I campi di
forza (campi vettoriali), quali quelli di forza elettrica, di forza magnetica,
di forza gravitazionale, sono definiti dalla intensità, dalla direzione e dal
verso di una forza per ogni punto dello spazio. I campi scalari indicano
invece la distribuzione nello spazio di valori numerici, ad esempio di
temperatura o densità.
Se in un punto dello spazio caratterizzato da una intensità di campo
elettrico pari ad E vi è una carica pari a Q, si avrà agente sulla carica
una forza elettrica pari a F = E·Q , da cui si ricava che l'unità di misura
del campo elettrico è il [N / C] . La direzione di questa forza è la stessa
del campo, il verso è quello del campo se la carica è positiva, altrimenti
è ad esso opposto.
Il potenziale elettrico, essendo un'energia per unità di carica, si misura
in [J/C]. Così è pure per la differenza di potenziale. Se in un punto di un
campo elettrico ove il potenziale vale V è presente una carica Q , tale
carica possederà una energia potenziale elettrica pari a W = Q·V [Joule].
Il [J/C] è chiamato volt [V].
Consideriamo ora un campo elettrico stazionario (cioè non variabile nel
tempo) ed uniforme (cioè non variabile al variare del punto considerato).
Prendiamo due punti M, N sulla stessa linea di forza, distanti tra di loro d
, ed immaginiamo una carica positiva Q che passi dal punto M al punto N
. Tale carica perderà energia potenziale e compirà un lavoro se VM > VN
perché sarà la forza elettrica a determinarne lo spostamento, viceversa
acquisterà energia potenziale e su di essa bisognerà compiere un lavoro
se VM < VN perché si dovrà vincere la forza elettrica con una forza
esterna. In ogni caso, per il principio di conservazione dell'energia, dovrà
essere il lavoro uguale alla variazione di energia potenziale :
F·d = Q·VM - Q·VN = Q·VMN Þ E·Q·d = Q·VMN Þ
La situazione appena descritta è quella che si verifica nel dielettrico
(isolante) posto tra le armature piane e parallele di un condensatore.
Nel caso di campi elettrici non uniformi, quanto detto rimane ancora
valido solo che si dovranno considerare punti M ed N a distanza tra di
loro talmente piccola da potersi ritenere in tale tratto uniforme il campo.
Per i campi elettrici si può inoltre dire che il lavoro connesso al
movimento di una carica tra due punti M ed N (situati anche su diverse
linee di forza) non dipende dal percorso seguito dalla carica per passare
da M ad N , ma dipende solo dalla posizione dei punti M ed N ( i campi
che godono di tale proprietà sono detti campi conservativi e tale è anche
il campo gravitazionale).
