Gabbia di Faraday
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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 esempio di gabbia di Faraday è osservabile su alcuni edifici, per esempio le cabine di distribuzione del gas, costituita da una serie di bande metalliche distanziate poche decine di centimetri e collegate a terra. 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.
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[modifica] 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.
Lo stesso effetto fu predetto da Francesco Beccaria (1716–1781) dell'università di Torino il quale, dopo avere studiato il lavoro di Benjamin Franklin, affermò che "l'elettricità va sulle tre superfici del corpo senza diffondersi al materiale interno".
Successivamente il fisico belga Louis Melsens (1814–1886) applicò il principio alla protezione dai fulmini.
[modifica] Principio di funzionamento
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.
