Jaula de Faraday

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.

• Las jaulas de Faraday se utilizan rutinariamente en química analítica para reducir el ruido mientras se realizan mediciones sensibles.
• Las jaulas de Faraday, más específicamente las bolsas de Faraday con costura doble, se utilizan a menudo en la investigación forense digital para evitar el borrado y la alteración remotos de evidencia digital criminal.
• Las bolsas de Faraday son contenedores portátiles fabricados con materiales metálicos que se utilizan para contener dispositivos con el fin de protegerlos de transmisiones electromagnéticas para una amplia gama de aplicaciones, desde mejorar la privacidad digital de los teléfonos celulares hasta proteger las tarjetas de crédito del escaneo RFID .
• Los estándares Tempest de Estados Unidos y la OTAN , y estándares similares en otros países, incluyen jaulas de Faraday como parte de un esfuerzo más amplio para brindar seguridad de emisiones a las computadoras.
• Los compartimentos de pasajeros de los automóviles y aviones son esencialmente jaulas de Faraday que protegen a los pasajeros de cargas eléctricas, como los rayos.
• Los componentes electrónicos de los automóviles y los aviones utilizan jaulas de Faraday para proteger las señales de las interferencias. Entre los componentes sensibles se incluyen las cerraduras inalámbricas de las puertas, los sistemas de navegación/GPS y los sistemas de advertencia de cambio de carril . Las jaulas y los escudos de Faraday también son fundamentales para los sistemas de información y entretenimiento de los vehículos (por ejemplo, radio, Wi-Fi y unidades de visualización GPS), que pueden diseñarse con la capacidad de funcionar como circuitos críticos en situaciones de emergencia. ^{[5] [6]}
• Una bolsa de refuerzo (bolsa de compras forrada con papel de aluminio ) actúa como una jaula de Faraday. Los ladrones de tiendas suelen utilizarla para robar artículos con etiquetas RFID . ^[7] Se utilizan contenedores similares para resistir el robo de datos RFID .
• Los ascensores y otras salas con marcos y paredes metálicas conductoras simulan un efecto de jaula de Faraday, lo que provoca una pérdida de señal y "zonas muertas" para los usuarios de teléfonos celulares , radios y otros dispositivos electrónicos que requieren señales electromagnéticas externas. Durante la capacitación, se advierte a los bomberos y otros socorristas que sus radios bidireccionales probablemente no funcionarán dentro de los ascensores y que deben tener en cuenta este aspecto.
• Los ingenieros electrónicos utilizan pequeñas jaulas de Faraday físicas durante las pruebas de equipos para simular un entorno de este tipo y asegurarse de que el dispositivo maneje estas condiciones sin problemas. ^{[ cita requerida ]}
• La ropa conductora diseñada adecuadamente también puede formar una jaula de Faraday protectora. Algunos electricistas usan trajes de Faraday, que les permiten trabajar en líneas eléctricas de alto voltaje sin riesgo de electrocución. El traje evita que la corriente eléctrica fluya a través del cuerpo y no tiene límite de voltaje teórico. Los electricistas han trabajado con éxito incluso en líneas de alto voltaje ( línea Ekibastuz-Kokshetau de Kazajstán de 1150 kV) de manera segura. ^{[ cita requerida ]}
• La sala de exploración de una máquina de resonancia magnética (MRI) está diseñada como una jaula de Faraday. Esto evita que se agreguen señales de RF (radiofrecuencia) externas a los datos recopilados del paciente, lo que afectaría la imagen resultante. Los tecnólogos están capacitados para identificar los artefactos característicos que se crean en las imágenes si la jaula de Faraday se daña, como durante una tormenta eléctrica .
• Un horno microondas utiliza un escudo Faraday parcial (en cinco de sus seis lados interiores) y una jaula Faraday parcial, que consiste en una malla de alambre, en el sexto lado (la ventana transparente), para contener la energía electromagnética dentro del horno y proteger al usuario de la exposición a la radiación de microondas. ^[8]
• Se utilizan bolsas de plástico impregnadas de metal para encerrar los dispositivos electrónicos de cobro de peajes cuando no se debe cobrar el peaje a dichos dispositivos, como durante el tránsito o cuando el usuario paga en efectivo. ^{[ cita requerida ]}
• El blindaje de un cable blindado , como los cables USB o el cable coaxial utilizado para la televisión por cable, protege los conductores internos del ruido eléctrico externo y evita que las señales de RF se escapen.
• Los componentes electrónicos de algunos instrumentos musicales, como por ejemplo una guitarra eléctrica , están protegidos por jaulas de Faraday hechas de láminas de cobre o aluminio que protegen las pastillas electromagnéticas del instrumento de las interferencias de los altavoces, amplificadores, luces de escenario y otros equipos musicales.
• Algunos edificios, como las prisiones, están construidos como una jaula de Faraday porque tienen razones para bloquear las llamadas entrantes y salientes de los teléfonos celulares de los presos. ^{[9] [10]} La sala de exposiciones del Observatorio de Green Bank es una jaula de Faraday para evitar interferencias con las operaciones de sus radiotelescopios . ^[11]

• Cámara anecoica
• Bolsa antiestática
• Textil conductor
• Sombrero de aluminio
• Ley de Gauss
• Bloqueador de señal para teléfonos móviles
• Mu-metal
• Manta de mylar
• Bobina de Tesla
• Generador Van de Graaff

• La jaula de Faraday protege contra 100.000 voltios: Physikshow Uni Bonn
• Notas de una clase de física sobre las jaulas de Faraday en la Universidad Estatal de Michigan
• Jaula de Faraday fabricada en India
• Richard Hammond, de Top Gear, está protegido de 600.000 V por un automóvil (una jaula de Faraday).