Science

Como funcionam as gaiolas de Faraday

A eletricidade é a força vital de muitos aspectos do nosso mundo. Sem volts e amperes , muitas das nossas inovações tecnológicas deixariam de existir. Mesmo nossos corpos não funcionariam sem uma carga elétrica percorrendo nossas células. Mas o que a eletricidade dá, a eletricidade pode tirar.

Embora esta forma de energia seja vital para grande parte das nossas vidas, é uma daquelas coisas que só são boas nas quantidades certas. Muita eletricidade pode eletrocutar as pessoas. Da mesma forma, pode matar nossos eletrônicos e máquinas modernas.

Mas graças a Michael Faraday, o brilhante cientista do século XIX, e a uma de suas invenções homônimas, a gaiola de Faraday , nós, humanos, desenvolvemos muitas maneiras de controlar a eletricidade e torná-la mais segura para nossos computadores, carros e outras invenções – e para nós mesmos. , também.

As gaiolas de Faraday protegem seu conteúdo da radiação eletromagnética. Basicamente, quando um campo eletromagnético atinge algo que pode conduzir eletricidade, as cargas permanecem na parte externa do condutor, em vez de viajarem para dentro. As gaiolas de Faraday muitas vezes parecem distintamente, bem, semelhantes a gaiolas. Alguns são tão simples quanto cercas de arame ou baldes de gelo. Outros usam uma malha metálica fina.

A radiação eletromagnética está ao nosso redor. Está na luz visível e ultravioleta, nas microondas que cozinham a nossa comida e até nas ondas de rádio FM e AM que transmitem música através dos nossos rádios . Mas às vezes, esta radiação é indesejável e totalmente perturbadora. É aí que entram as gaiolas de Faraday.

À medida que uma gaiola de Faraday distribui essa carga ou radiação pelo exterior da gaiola, ela cancela as cargas elétricas ou a radiação no interior da gaiola. Resumindo, uma gaiola de Faraday é um condutor oco, no qual a carga permanece na superfície externa da gaiola.

Essa função básica tem muitos usos fascinantes em nosso mundo eletricamente desordenado e repleto de tecnologia. E embora Faraday eventualmente tivesse o seu dia, o pano de fundo para a sua invenção na verdade tem raízes em tempos anteriores. Então, de onde veio a ideia dessas gaiolas ultraúteis?

Benjamim Franklin e Michael Faraday

Embora a Gaiola de Faraday tenha o nome de Michael Faraday, foi Benjamin Franklin quem ajudou a inspirar muitas das ideias por trás das gaiolas de Faraday. Franklin, é claro, passou parte de sua ilustre carreira empinando pipas em tempestades na tentativa de atrair raios e, portanto, já estava um pouco familiarizado com os caprichos e conceitos da eletricidade.

Em 1755, Franklin começou a brincar com a eletricidade de novas maneiras. Ele eletrificou uma lata prateada e baixou nela uma bola de cortiça descarregada presa a um fio de seda não condutor até que a rolha tocasse o fundo da lata. “A rolha não foi atraída para o interior da lata como teria sido para o exterior, e embora tenha tocado o fundo, ainda assim, quando puxada para fora, não foi encontrada eletrificada por aquele toque, como teria sido tocando o exterior. O fato é singular”, escreveu Franklin em uma carta a um colega .

Ele ficou perplexo com a interação da eletricidade e dos objetos carregados e descarregados e admitiu isso: “Você precisa do motivo; eu não o conheço. Talvez você possa descobri-lo, e então terá a gentileza de comunicá-lo para mim .”

Décadas mais tarde, um físico e químico inglês chamado Michael Faraday fez outras observações pertinentes — nomeadamente, percebeu que um condutor eléctrico (como uma gaiola metálica), quando carregado, exibia essa carga apenas na sua superfície. Não teve efeito no interior do condutor.

Faraday reafirmou esta observação revestindo uma sala com uma folha de metal e depois carregando a folha com o uso de um gerador eletrostático. Ele colocou um eletroscópio (dispositivo que detecta cargas elétricas) dentro da sala e, como ele antecipou, o osciloscópio indicou que não havia carga dentro da sala. A carga apenas se moveu ao longo da superfície da folha e não penetrou na sala.

Faraday examinou ainda mais esse fenômeno com seu famoso experimento com balde de gelo . Neste teste, ele basicamente duplicou a ideia de Franklin, colocando uma bola de latão carregada em um copo de metal. Como esperado, seus resultados foram iguais aos de Franklin.

Esse conceito tem todo tipo de aplicações incríveis, mas aqui está uma que é relevante para qualquer pessoa que já esteve em um avião. Imagine voar em um avião que de repente é atingido por um raio. Esta não é uma ocorrência rara – acontece regularmente, mas o avião e os seus passageiros não são afetados. Isso porque o casco de alumínio do avião cria uma gaiola de Faraday . A carga do raio passa inofensivamente pela superfície do avião, sem danificar o equipamento ou as pessoas dentro dele.

Não é chocante, realmente. É apenas ciência. Então, como esse tipo inteligente de design de gaiola realmente funciona?

O que uma gaiola de Faraday faz?

experimento da gaiola de Faraday
O experimento da gaiola de Faraday: Uma gaiola de metal (como esta), quando carregada, exibe essa carga apenas em sua superfície. O conteúdo da gaiola está protegido contra cargas elétricas e radiação eletromagnética. 

Para entender como funcionam as gaiolas de Faraday, você precisa de uma compreensão básica de como a eletricidade funciona nos condutores. O processo é simples: objetos metálicos, como uma malha de alumínio, são condutores e possuem elétrons (partículas carregadas negativamente) que se movem neles. Quando não há carga elétrica presente, o condutor tem aproximadamente o mesmo número de partículas positivas e negativas misturadas.

Se um objeto externo com carga elétrica se aproximar do condutor, as partículas positivas e negativas se separam. Elétrons com carga oposta à carga externa são atraídos para esse objeto externo. Elétrons com a mesma carga do objeto externo são repelidos e se afastam desse objeto. Esta redistribuição de cargas é chamada de indução eletrostática .

Com a presença do objeto externo carregado, as partículas positivas e negativas acabam em lados opostos do condutor. O resultado é um campo elétrico oposto que cancela o campo da carga do objeto externo dentro do condutor metálico. A carga elétrica resultante dentro da malha de alumínio é então zero.

E aqui está o verdadeiro problema: embora não haja carga dentro do condutor, o campo elétrico oposto tem um efeito importante – protege o interior das cargas elétricas estáticas externas e também da radiação eletromagnética, como ondas de rádio e microondas. É aí que reside o verdadeiro valor das gaiolas de Faraday.

A eficácia desta blindagem varia dependendo da construção da gaiola . Variações na condutividade de diferentes metais, como cobre ou alumínio , afetam o funcionamento da gaiola. O tamanho dos furos na tela ou malha também altera as capacidades da gaiola e pode ser ajustado dependendo da frequência e do comprimento de onda da radiação eletromagnética que você deseja excluir do interior da gaiola.

As gaiolas de Faraday às vezes têm outros nomes. Eles podem ser chamados de escudos de Faraday , gaiolas de RF ( radiofrequência ) ou gaiolas de EMF ( força eletromotriz ) .

Não importa como você as chame, as gaiolas de Faraday são usadas com mais frequência em laboratórios científicos, seja em experimentos ou no desenvolvimento de produtos.Não é o que Michael tinha em mente

Quando Faraday construiu sua primeira jaula, ele provavelmente não pensava em roubo. Mas os policiais muitas vezes pegam ladrões revestindo sacolas com papel alumínio , o que interfere nas etiquetas RFID antifurto afixadas em produtos caros em lojas de varejo.

Usos modernos para gaiolas de Faraday

As pessoas usam gaiolas de Faraday para uma ampla variedade de propósitos – às vezes em laboratórios esotéricos, outras vezes em produtos comuns. Seu carro, por exemplo, funciona basicamente como uma gaiola de Faraday. É esse efeito, e não os pneus de borracha , que protege você no caso de um raio próximo.

Muitos edifícios também funcionam como gaiolas de Faraday, mesmo que apenas por acidente. Com suas paredes de gesso ou concreto repletas de vergalhões de metal ou telas de arame, eles costumam causar estragos em redes de internet sem fio e sinais de celular.

Mas o efeito de proteção beneficia na maioria das vezes a humanidade. Os fornos de microondas revertem o efeito, prendendo as ondas dentro de uma gaiola e cozinhando rapidamente a comida. Os cabos de TV blindados ajudam a manter uma imagem nítida e clara, reduzindo a interferência.

Os eletricistas das concessionárias de energia costumam usar ternos feitos especialmente que exploram o conceito de gaiola de Faraday. Dentro desses trajes, os eletricistas podem trabalhar em linhas de energia de alta tensão com um risco muito reduzido de eletrocussão.

Os governos podem proteger equipamentos vitais de telecomunicações contra descargas atmosféricas e outras interferências electromagnéticas construindo gaiolas de Faraday à sua volta. Laboratórios científicos em universidades e empresas empregam gaiolas de Faraday avançadas para excluir completamente todas as cargas elétricas externas e radiação eletromagnética para criar um ambiente de teste totalmente neutro para todos os tipos de experimentos e desenvolvimento de produtos.Faça sua própria gaiola de Faraday

Você não precisa gastar milhões ou ter um diploma de física para fazer sua própria gaiola de Faraday. Na internet, você pode encontrar instruções para construir uma gaiola simples com produtos domésticos comuns, como papel alumínio e filme plástico.

Gaiolas de última geração

Passe por um hospital e você encontrará gaiolas de Faraday na forma de salas de ressonância magnética (ressonância magnética) . As varreduras de ressonância magnética dependem de campos magnéticos poderosos para criar varreduras clinicamente úteis do corpo humano. As salas de ressonância magnética devem ser protegidas para evitar que campos eletromagnéticos dispersos afetem as imagens de diagnóstico do paciente.

Também há muitos usos políticos e militares para as gaiolas de Faraday. Os políticos podem optar por discutir assuntos sensíveis apenas em salas protegidas que possam bloquear tecnologias de escuta . Todas as forças armadas modernas dependem da electrónica para sistemas de comunicações e armas, mas há um problema: estes sistemas são vulneráveis ​​a EMP agressivos ( pulsos electromagnéticos ), que podem ser resultado de uma tempestade solar ou mesmo de ataques de EMP provocados pelo homem. Para salvaguardar sistemas críticos , os militares por vezes utilizam bunkers e veículos blindados.

É pela mesma razão que as gaiolas de Faraday são um assunto querido na subcultura sobrevivencialista. Estas pessoas, que pregam a auto-suficiência e a desconfiança na resposta governamental face a desastres naturais ou causados ​​pelo homem, acreditam na blindagem de todos os dispositivos electrónicos importantes usando gaiolas de Faraday caseiras. No caso de ocorrer um cataclismo apocalíptico , eles ainda terão seus rádios de ondas curtas e outras ferramentas de alta tecnologia que poderão salvar vidas.

Mesmo que você não esteja particularmente preocupado com os cenários do Juízo Final, as gaiolas de Faraday provavelmente desempenham um papel em sua vida todos os dias. Essas gaiolas aproveitam um princípio básico da física e ajudam pessoas de todo o planeta a colocar esses princípios em prática – para segurança, luxo, conveniência e para ajudar a promover avanços tecnológicos cada vez mais emocionantes.

Perguntas frequentes sobre a gaiola de Faraday

O que é uma gaiola de Faraday e como funciona?

Uma gaiola de Faraday é um recipiente ou escudo feito de material condutor que bloqueia a radiação eletromagnética ao redor do exterior da gaiola, protegendo tudo o que está dentro de qualquer carga ou radiação estática ou não estática.

O que pode penetrar em uma gaiola de Faraday?

Uma gaiola de Faraday protege em grande parte o interior de uma carga externa ou radiação eletromagnética, especialmente se o condutor for espesso o suficiente. No entanto, as gaiolas de Faraday não podem bloquear campos magnéticos estáveis ​​ou de variação lenta. Por exemplo, o campo magnético da Terra pode penetrar numa gaiola de Faraday, pelo que uma bússola ainda funcionará.

As gaiolas de Faraday são legais?

Embora os dispositivos elétricos de interferência sejam ilegais, as gaiolas de Faraday são totalmente legais. Na verdade, eles são comumente usados ​​em usinas de energia ou outros ambientes altamente carregados, aviões, fornos de micro-ondas e edifícios.

Você pode usar papel alumínio como gaiola de Faraday?

A folha de alumínio pode ser usada como gaiola de Faraday, desde que não apresente rasgos e tenha uma camada isolante entre sua superfície e qualquer item interno que deva ser protegido.

Você pode comprar uma gaiola de Faraday?

Você pode comprar gaiolas de Faraday para diversos usos. Você pode encontrá-los em tamanhos variados, desde pequenas bolsas que podem acomodar um smartphone até uma grande barraca Faraday para estacionar seu carro.

Gabriel Lafeta Rabelo

Père, mari, analyste de systèmes, webmaster, propriétaire d'une agence de marketing numérique et passionné par ce qu'il fait. Depuis 2011, je rédige des articles et du contenu pour le web avec un focus sur la technologie,