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 llevan el nombre del científico Michael Faraday , quien construyó una por primera vez en 1836. [1]
Una jaula de Faraday funciona porque un campo eléctrico externo hace que las cargas eléctricas dentro del material conductor de la jaula se distribuyan de manera que cancelen el efecto del campo en el interior de la jaula. Este fenómeno se utiliza para proteger equipos electrónicos sensibles (por ejemplo, receptores de RF ) de interferencias de radiofrecuencia (RFI) externas , a menudo durante las pruebas o la alineación del dispositivo. También se utilizan para proteger a personas y equipos contra corrientes eléctricas como rayos y descargas electrostáticas , ya que la jaula de cerramiento conduce la corriente por el exterior del espacio cerrado y ninguna pasa por el interior.
Las jaulas de Faraday no pueden bloquear campos magnéticos estables o que varían lentamente, como el campo magnético de la Tierra (una brújula seguirá funcionando dentro de una). Sin embargo, protegen en gran medida el interior de la radiación electromagnética externa si el conductor es lo suficientemente grueso y los orificios eventuales son significativamente más pequeños que la longitud de onda de la radiación. Por ejemplo, ciertos procedimientos de prueba forense por computadora 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 fina malla metálica o chapa perforada. Las capas metálicas están conectadas a tierra para disipar las corrientes eléctricas generadas por campos electromagnéticos internos o externos y, por lo tanto, bloquean una gran cantidad de interferencias electromagnéticas. Véase también blindaje electromagnético . Proporcionan menos atenuación de las transmisiones salientes que las entrantes: pueden bloquear muy eficazmente las ondas de pulso electromagnético (EMP) de los fenómenos naturales, pero especialmente en las frecuencias superiores, un dispositivo de seguimiento puede penetrar desde el interior de la jaula (por ejemplo, algunos teléfonos móviles funcionan en varias frecuencias de radio, por lo que si bien una frecuencia puede no funcionar, otra sí lo hará).
La recepción o transmisión de ondas de radio , una forma de radiación electromagnética , hacia o desde una antena dentro de una jaula de Faraday es fuertemente atenuada o bloqueada por la jaula; sin embargo, una jaula de Faraday tiene una atenuación variada según la forma de onda, la frecuencia o la distancia del receptor o transmisor, y la potencia del receptor o transmisor. Es más probable que penetren transmisiones de frecuencia de alta potencia y de campo cercano, como HF RFID . Las jaulas sólidas generalmente atenúan los campos en un rango de frecuencias más amplio que las jaulas de malla.
En 1754, Jean-Antoine Nollet publicó un relato del efecto jaula en sus Leçons de physique expérimentale . [2] También era conocido como Abbé Nollet.
En 1755, Benjamín Franklin observó el efecto haciendo bajar una bola de corcho descargada 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 en un conductor cargado residía sólo en su exterior y no tenía influencia sobre nada encerrado en su interior. Para demostrarlo, construyó una habitación recubierta con una lámina de metal y permitió que descargas de alto voltaje de un generador electrostático golpearan el exterior de la habitación. Usó un electroscopio para demostrar que no había carga eléctrica en el interior de las paredes de la habitación.
Un escudo de Faraday continuo es un conductor hueco. Los campos electromagnéticos aplicados externa o internamente producen fuerzas sobre los portadores de carga (generalmente 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 la cancelación total. [4]
Si la carga +Q se coloca dentro de un escudo de Faraday sin conexión a tierra sin tocar las paredes, la cara interna del escudo se carga con -Q, lo que genera líneas de campo que se originan en la carga y se extienden hasta las cargas dentro de la superficie interna del metal. Las trayectorias de las líneas de campo en este espacio interior (hasta el punto final de las cargas negativas) dependen de la forma de las paredes de contención interiores. Simultáneamente +Q se acumula en la cara exterior del escudo. La distribución de cargas en la cara exterior no se ve afectada por la posición de la carga interna dentro del recinto, sino que está determinada por la forma de la cara exterior. Entonces, para todos los efectos, el escudo de Faraday genera el mismo campo eléctrico estático en el exterior que generaría si el metal simplemente se cargara con +Q. Véase el experimento del cubo de hielo de Faraday , por ejemplo, para obtener más detalles sobre las líneas del 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 , el exceso de cargas se neutralizará 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 interior y la carga interior seguirán siendo las mismas por lo que el campo se mantiene 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 atravesar el escudo por completo.
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 la penetración del campo magnético. En este caso el blindaje también depende de la conductividad eléctrica , de las propiedades magnéticas de los materiales conductores utilizados en las jaulas, así como de sus espesores.
Se puede obtener una buena idea de la eficacia de un escudo de Faraday considerando la profundidad de la piel . Con la profundidad de la piel, la corriente que fluye principalmente en la superficie y decae exponencialmente con la profundidad a través del material. Debido a que un escudo de 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 tanto, son más complejos de analizar. Mientras que los escudos continuos atenúan esencialmente todas las longitudes de onda cuya profundidad de revestimiento en el material del casco es menor que el espesor del casco, los agujeros en una jaula pueden permitir el paso de longitudes de onda más cortas o crear " campos evanescentes " (campos oscilantes que no se propagan como Ondas EM) 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 en longitudes de onda cortas (es decir, altas frecuencias), 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 de Faraday inutilizaría las funciones de transmisión y recepción de los teléfonos
