Gabbia di Faraday

Una gabbia di Faraday è un qualsiasi dispositivo dato da un conduttore cavo che, in quanto tale, ha la capacità di schermare elettricamente i corpi al proprio interno (purché non siano a contatto con le pareti della cavità) da qualsiasi campo elettrico esterno.

 

Quante volte avete sentito dire che, durante un temporale, potete proteggervi dai fulmini semplicemente stando seduti in auto? E che dire dei voli in aereo: perché non dobbiamo preoccuparci di rimanere folgorati da eventuali fulmini, casomai lo colpissero?

 

La risposta alle precedenti domande risiede nel principio della gabbia di Faraday, che riguarda qualsiasi dispositivo costituito da un involucro di materiale conduttore, indipendentemente che esso sia continuo o presenti fessure. Come potete immaginare stiamo per affrontare un argomento che è molto, molto importante sia dal punto di vista teorico che in termini di applicazioni pratiche. ;)

 

Cos'è la gabbia di Faraday?

 

Per spiegare cos'è una gabbia di Faraday conviene partire da un esempio di conduttore neutro immerso in un campo elettrico.

 

Consideriamo un qualsiasi conduttore elettrico, ad esempio di forma sferica, e collochiamolo in un campo elettrico uniforme. In tale ipotesi le linee di campo elettrico sono parallele ed equidistanti tra loro.

 

 

Gabbia di Faraday

Conduttore sferico immerso in un campo elettrico uniforme.

 

 

Il conduttore è inizialmente neutro e continuerà ad esserlo, perché non è messo a contatto con nessun altro corpo carico che possa trasferirgli cariche elettriche.

 

Sappiamo però che, per definizione stessa di conduttore elettrico, esistono degli elettroni liberi che sono in grado di muoversi attraverso il corpo quando vengono sollecitati dalla presenza di un campo elettrico. In assenza di un campo elettrico esterno gli elettroni sono distribuiti in modo uniforme su tutto il volume del conduttore, e il campo elettrico all'interno del conduttore è nullo. Se così non fosse, le cariche sarebbero distribuite in modo disomogeneo.

 

Con riferimento al nostro esempio la presenza di un campo elettrico esterno costringe gli elettroni del conduttore a muoversi verso la superficie di sinistra, perché attratti dalla forza elettrica che ha stessa direzione ma verso opposto rispetto al vettore campo elettrico (la carica dell'elettrone è negativa). Di contro la superficie di destra resterà carica positivamente per via delle carenza degli elettroni migrati sulla parte opposta.

 

In questo modo abbiamo di fatto indotto della carica elettrica sulla superficie della sfera. La sfera nel suo complesso è neutra esattamente come prima, ma localmente ha assunto una carica. A ben vedere si tratta di un effetto temporaneo: se il campo dovesse scomparire, le cariche tornerebbero a distribuirsi in modo omogeneo sulla superficie della sfera.

 

Cosa accade al campo elettrico? Non appena il conduttore raggiunge l'equilibrio elettrostatico le linee di campo, che in assenza del conduttore sarebbero parallele ed equidistanti, curvano verso la superficie del conduttore formando con essa degli angoli retti.

 

In assenza del campo elettrico esterno il campo all'interno del conduttore era chiaramente nullo, ma quanto vale il campo elettrico nel conduttore ora che sono state indotte delle cariche sulla sua superficie?

 

Sappiamo che le due superfici opposte della sfera presentano cariche elettriche di segno opposto e di ugual valore, pertanto tra le due superfici si crea un campo elettrico uscente dalle cariche positive ed entrante in quelle negative. Riferendoci alla precedente figura, all'interno del conduttore si crea un campo elettrico diretto verso sinistra. Tale campo però uguale e opposto a quello esterno, così che il campo elettrico totale all'interno del conduttore è nullo (come già sapevamo dalle proprietà dei conduttori in equilibrio elettrostatico).

 

Questo è l'effetto di schermatura che un conduttore qualsiasi è in grado di creare. In presenza di un campo elettrico esterno, le cariche sulla superficie di un conduttore si ridistribuiscono in modo che il campo complessivo al suo interno sia nullo. Tale comportamento è valido non solo per i conduttori solidi, la cui massa occupa tutto il volume del corpo, ma anche per i conduttori cavi.

 

La cosa interessante nel caso dei conduttori cavi è che, anche se è presente un campo elettrico all'esterno del conduttore, nella cavità interna il campo è nullo e questo è vero indipendentemente dall'intensità del campo. Da questa osservazione nasce la nozione di gabbia di Faraday, vale a dire un qualsiasi dispositivo che potremmo definire nel modo seguente:

 

una gabbia di Faraday è un conduttore che permette di schermare un campo elettrostatico esterno rendendolo nullo al proprio interno.

 

Esempi e utilità delle gabbie di Faraday

 

Se ci collocassimo all'interno di una scatola metallica, all'esterno della quale vi fosse un campo elettrico anche molto intenso, noi non avvertiremmo la presenza di alcun campo. Questo è vero non solo per conduttori continui ma anche per conduttori che presentano spazi vuoti sulle pareti, come per l'appunto una gabbia.

 

Così un canarino, grazie alle sbarre della sua gabbia, è schermato dalla presenza di campi elettrici esterni. Non che un canarino abbia particolarmente bisogno di questo genere di protezione :D ma in generale il principio della gabbia di Faraday può essere estremamente utile, ad esempio per proteggere apparecchiature elettriche delicate dall'interferenza di campi elettrici creati da dispositivi vicini.

 

Due esempi comuni di gabbia di Faraday sono dati dalle auto e dagli aerei.

 

Vi sarà sicuramente capitato di sentire come comportarsi durante i temporali. Se siamo in viaggio o se disponiamo di un'automobile possiamo proteggerci dai fulmini semplicemente stando seduti in macchina. In effetti la carrozzeria e il telaio di un'auto, essendo costituiti da metalli conduttori, fungono da gabbia di Faraday: se l'auto venisse colpita da un fulmine, chiunque si trovasse al suo interno ne rimarrebbe illeso. Un discorso del tutto analogo vale nel caso degli aerei.

 

Quando un fulmine colpisce la scocca di un'automobile, ossia la superficie esterna del conduttore cavo, il campo elettrico è nullo nell'abitacolo ed è come se non fosse successo niente. Ovviamente è fondamentale non avere alcun contatto con le parti metalliche dell'auto, altrimenti ci trasmetterebbero parte delle loro cariche elettriche, visto che anche il corpo umano è un conduttore di elettricità.

 

 


 

La prossima puntata del corso dedicato all'elettricità riguarderà ancora i conduttori, e studieremo in particolare il potere disperdente delle punte. Nel frattempo per qualsiasi dubbio o spunto, non esitate: qui su YM ci sono migliaia di esercizi svolti e altrettanti approfondimenti, potete trovare tutto quello che vi serve con la barra di ricerca interna. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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