sabato 8 giugno 2013

Una gabbia elettromagnetica

Il cinquantesimo post di Quantizzando lo dedico ad una breve introduzione alla gabbia di Faraday.

Per cominciare spieghiamo cos'è un materiale conduttore. I materiali sono fatti di atomi e gli atomi sono fatti di elettroni che "in qualche modo" sono legati ad un nucleo composto di protoni e neutroni. Ora bisogna sapere che si sono alcuni materiali che hanno degli elettroni che hanno una specie di libera uscita, ovvero sono meno legati degli altri elettroni che appartengono all'atomo. I materiali con questa caratteristica sono chiamati conduttori.
Bene, abbiamo capito cos'è un conduttore; adesso vediamo perché si chiama così.
Prendiamo per esempio un filo di un materiale conduttore (ad esempio di rame): in questo caso abbiamo tantissimi atomi e ogni atomo ha uno o più elettroni che, rispetto agli altri elettroni hanno la possibilità di muoversi all'interno del filo. Come si muovono? Beh, in principio come pare a loro. Ma immaginiamo di mettere un campo elettrico lungo il filo; il campo elettrico è una forza e quindi, secondo la legge della dinamica F=ma abbiamo un'accelerazione. Cosa acceleriamo? Gli elettroni!
Dunque gli elettroni iniziamo a muoversi in maniera ordinata da una parte all'altra del filo; insomma abbiamo quella che si chiama corrente elettrica.
Come potete capire, se non abbiamo un conduttore allora non abbiamo elettroni da accelerare e quindi non abbiamo corrente elettrica apprezzabile nonostante un campo elettrico applicato.
Ora, invece di avere un filo, immaginiamo di avere una gabbia cubica di fili di rame. Questo vuol dire che le cariche elettriche (elettroni e protoni) sono tutte nella gabbia, mentre all'interno della nostra "prigione metallica" non vi è nulla.
Bene. A questo punto immaginiamo che delle onde elettromagnetiche siano al di fuori della gabbia e supponiamo che voi abbiate voglia di misurare queste onde dentro la gabbia.
Come controllo, effettuate una misurazione al di fuori della gabbia e trovate che il vostro strumento registra la presenza di un campo elettromagnetico e quindi che tutto funziona.
Dopo aver fatto ciò entrate nella gabbia: cosa rivela il vostro strumento? O meglio, cosa vi aspettate di rivelare? La vostra gabbia è fatta di fili di rame, anche distanziati tra loro, quindi magari, almeno in linea di principio, vi aspettate di misurare il campo elettromagnetico anche all'interno della gabbia. Ma attenzione: ci siamo dimenticati di inserire un qualche ragionamento scientifico in tutto ciò!
Infatti abbiamo detto che la gabbia è di rame, ovvero un materiale conduttore, ovvero un materiale in cui le cariche (nella fattispecie gli elettroni) si possono muovere con un certo grado di libertà.  Che succede se, per esempio, il campo elettromagnetico esterno è diretto, diciamo orizzontalmente (cioè parallelo al pavimento)? Proprio perché abbiamo un conduttore, allora gli elettroni si muoveranno a seconda del campo applicato: il risultato finale sarà che da un lato della gabbia avremo una maggioranza di cariche positive mentre dall'altro avremo una maggioranza di cariche negative.
E cosa accade dentro? Per capirlo facciamo un passo indietro e immaginiamo che la gabbia non sia fatta di un materiale conduttore. In questo caso tutto acquista una maggiore semplicità: fuori c'è un campo di forza, la gabbia se ne infischia altamente di ciò e quindi abbiamo un campo anche dentro, come magari uno si aspetta. Cosa cambia se abbiamo una gabbia fatta di materiale conduttore? Abbiamo che anche la gabbia genera un campo elettromagnetico! Infatti a causa dell'effetto del campo esterno, come abbiamo detto, le cariche nella gabbia si separano. Ma se si separano allora vi è un'attrazione tra le cariche positive e negative della gabbia, cioè vi è un altro campo elettromagnetico!
Cosa comporta tutto ciò? Comporta che all'interno della gabbia non vi sia alcun campo elettromagnetico! Una bella animazione di quello che accade l'ho trovata su Wikipedia:



Il fatto che il campo esterno permetta che si generi un campo interno è chiamato induzione elettromagnetica. Come potete ben capire se non abbiamo un conduttore non abbiamo l'induzione elettromagnetica e quindi niente gabbia di Faraday.
Ecco dunque che cosa abbiamo scoperto oggi. Se vogliamo ripararci da un campo elettromagnetico esterno allora dobbiamo rinchiuderci in una scatola metallica (i metalli in genere sono materiali conduttori). Ecco perché si dice che in caso di fulmini l'automobile è un posto sicuro dove stare (non una formula uno ovviamente!).  Ed ecco anche perché la vostra autoradio ha bisogno di un antenna al di fuori della vostra auto: le onde radio non possono penetrare la carrozzeria quindi ci vuole un collegamento tra l'esterno e l'interno.
Sulla scia di questo, ecco inoltre le istruzioni per costruire una borsa in cui il vostro telefono cellulare diventa irraggiungibile!
Ancora, ecco un bel video con un esperimento "umano"!
Vi lascio con un ultimo esempio di gabbia di Faraday che probabilmente usate tutti i giorni: il forno a microonde. Infatti tutti sappiamo che il forno a microonde permette di cuocere il cibo poiché le microonde stimolano le molecole (acqua, grassi e carboidrati) all'interno delle pietanze facendole oscillare e quindi in tal modo riscaldare il tutto. Ma la vera domanda è: le microonde sono dentro al forno ma perché non escono fuori visto che vi è una finestra di vetro sullo sportello? Il meccanismo si spiega tramite la gabbia di Faraday: vi è una rete metallica sullo sportello che, insieme al resto della struttura del forno, funge da gabbia di Faraday.

Siete andati a controllare vero?