Una jaula de Faraday o escudo de Faraday es un recinto que se utiliza para bloquear algunos campos electromagnéticos . Un escudo de Faraday puede estar formado por una cubierta continua de material conductor o, en el caso de una jaula de Faraday, por una malla de dichos materiales. Las jaulas de Faraday reciben su nombre del científico Michael Faraday , quien construyó una por primera vez en 1836. [1]
Las jaulas de Faraday funcionan porque un campo eléctrico externo hará que las cargas eléctricas dentro del material conductor de la jaula se distribuyan de una manera que cancele el efecto del campo dentro de la jaula. Este fenómeno se puede utilizar para proteger equipos electrónicos sensibles (por ejemplo, receptores de RF ) de interferencias de radiofrecuencia externas (RFI), a menudo durante la prueba o alineación del dispositivo. Las jaulas de Faraday también se utilizan para proteger a las personas y los equipos contra corrientes eléctricas, como rayos y descargas electrostáticas , porque la jaula conduce la corriente eléctrica alrededor del exterior del espacio cerrado y ninguna pasa a través del interior.
Las jaulas de Faraday no pueden bloquear campos magnéticos estables o de variación lenta, como el campo magnético de la Tierra (una brújula funcionará dentro de una). Sin embargo, en gran medida protegen el interior de la radiación electromagnética externa si el conductor es lo suficientemente grueso y los agujeros son significativamente más pequeños que la longitud de onda de la radiación. Por ejemplo, ciertos procedimientos de prueba forense informática de sistemas electrónicos que requieren un entorno libre de interferencias electromagnéticas se pueden llevar a cabo dentro de una habitación protegida. Estas habitaciones son espacios que están completamente cerrados por una o más capas de una malla metálica fina o una chapa perforada. Las capas de metal están conectadas a tierra para disipar cualquier corriente eléctrica generada por campos electromagnéticos externos o internos y, por lo tanto, bloquean una gran cantidad de interferencia electromagnética (ver también blindaje electromagnético ). Proporcionan menos atenuación de las transmisiones salientes que de las entrantes: pueden bloquear las ondas de pulso electromagnético (EMP) de los fenómenos naturales de manera muy efectiva, pero especialmente en frecuencias superiores, un dispositivo de seguimiento puede ser capaz de penetrar desde dentro de la jaula (por ejemplo, algunos teléfonos celulares funcionan en varias frecuencias de radio, por lo que, si bien una frecuencia puede no funcionar, otra sí).
La recepción o transmisión de ondas de radio , una forma de radiación electromagnética , hacia o desde una antena dentro de una jaula de Faraday está muy atenuada o bloqueada por la jaula; sin embargo, una jaula de Faraday tiene una atenuación variable según la forma de onda, la frecuencia o la distancia desde el receptor o transmisor, y la potencia del receptor o transmisor. Las transmisiones de frecuencia de alta potencia y campo cercano, como la RFID HF, tienen más probabilidades de penetrar. Las jaulas sólidas generalmente atenúan los campos en un rango más amplio de frecuencias que las jaulas de malla.
En 1754, Jean-Antoine Nollet publicó un relato del efecto jaula en sus Leçons de physique expérimentale . [2]
En 1755, Benjamin Franklin observó el efecto al hacer descender una bola de corcho sin carga suspendida de un hilo de seda a través de una abertura en una lata de metal cargada eléctricamente. El comportamiento es el de una jaula o escudo de Faraday. [3] [ verificación fallida ]
En 1836, Michael Faraday observó que el exceso de carga de un conductor cargado residía únicamente en su exterior y no tenía influencia sobre nada que estuviera dentro de él. Para demostrarlo, construyó una habitación revestida con una lámina de metal y dejó que descargas de alto voltaje de un generador electrostático impactaran el exterior de la habitación. Utilizó un electroscopio para demostrar que no había carga eléctrica presente en el interior de las paredes de la habitación.
Un blindaje Faraday continuo es un conductor hueco. Los campos electromagnéticos aplicados externa o internamente producen fuerzas sobre los portadores de carga (normalmente electrones) dentro del conductor; las cargas se redistribuyen en consecuencia debido a la inducción electrostática . Las cargas redistribuidas reducen en gran medida el voltaje dentro de la superficie, en una medida que depende de la capacitancia; sin embargo, no se produce una cancelación total. [4]
Si se coloca una carga +Q dentro de un blindaje Faraday sin conexión a tierra sin tocar las paredes, la cara interna del blindaje se carga con -Q, lo que genera líneas de campo que se originan en la carga y se extienden a las cargas dentro de la superficie interna del metal. Las trayectorias de las líneas de campo en este espacio interior (hasta las cargas negativas del punto final) dependen de la forma de las paredes de contención internas. Simultáneamente, +Q se acumula en la cara externa del blindaje. La propagación de cargas en la cara externa no se ve afectada por la posición de la carga interna dentro del recinto, sino que está determinada por la forma de la cara externa. Por lo tanto, a todos los efectos, el blindaje Faraday genera el mismo campo eléctrico estático en el exterior que generaría si el metal simplemente estuviera cargado con +Q. Consulte el experimento del cubo de hielo de Faraday , por ejemplo, para obtener más detalles sobre las líneas de campo eléctrico y el desacoplamiento del exterior del interior. Tenga en cuenta que las ondas electromagnéticas no son cargas estáticas.
Si la jaula está conectada a tierra , las cargas en exceso se neutralizarán, ya que la conexión a tierra crea una conexión equipotencial entre el exterior de la jaula y el entorno, por lo que no hay voltaje entre ellos y, por lo tanto, tampoco hay campo. La cara interna y la carga interna permanecerán iguales, por lo que el campo se mantendrá en el interior.
La eficacia del blindaje de un campo eléctrico estático es en gran medida independiente de la geometría del material conductor; sin embargo, los campos magnéticos estáticos pueden penetrar el blindaje completamente.
En el caso de campos electromagnéticos variables, cuanto más rápidas sean las variaciones (es decir, cuanto más altas sean las frecuencias), mejor resistirá el material a la penetración del campo magnético. En este caso, el apantallamiento también depende de la conductividad eléctrica , de las propiedades magnéticas de los materiales conductores utilizados en las jaulas, así como de sus espesores.
Un buen ejemplo de la eficacia de un escudo Faraday se puede obtener a partir de consideraciones sobre la profundidad de la piel . Con la profundidad de la piel, la corriente que fluye se encuentra principalmente en la superficie y decae exponencialmente con la profundidad a través del material. Debido a que un escudo Faraday tiene un espesor finito, esto determina qué tan bien funciona el escudo; un escudo más grueso puede atenuar mejor los campos electromagnéticos y a una frecuencia más baja.
Las jaulas de Faraday son escudos de Faraday que tienen agujeros y, por lo tanto, son más complejos de analizar. Mientras que los escudos continuos atenúan esencialmente todas las longitudes de onda cuya profundidad en el material del casco es menor que el espesor del casco, los agujeros en una jaula pueden permitir que pasen longitudes de onda más cortas o establezcan " campos evanescentes " (campos oscilantes que no se propagan como ondas electromagnéticas) justo más allá de la superficie. Cuanto más corta sea la longitud de onda, mejor pasará a través de una malla de un tamaño determinado. Por lo tanto, para funcionar bien con longitudes de onda cortas (es decir, frecuencias altas), los agujeros en la jaula deben ser más pequeños que la longitud de onda de la onda incidente.
Jaula de Faraday Nollet.
con un escudo Faraday haría inútiles las funciones de transmisión y recepción de los teléfonos
