Significado de la jaula de Faraday Definición, ejemplos, y efectos
Licenciada en Física
Definición formal
La jaula de Faraday es un dispositivo creado en 1836 por el famoso físico inglés Michael Faraday (1867-1791), que consiste en una cavidad rodeada de un material conductor en forma de una malla de alambre que la recubre a modo de blindaje. Por esta malla se puede hacer pasar una descarga eléctrica y, sin embargo, en el interior de la cavidad una persona logra permanecer ilesa, porque al tratarse de un conductor en equilibrio electrostático, el campo eléctrico allí dentro es nulo.
Faraday mismo hizo la prueba, recubriendo de metal las paredes de una habitación por las que hizo una corriente eléctrica. Con un electroscopio comprobó que, en efecto, no había carga neta en el interior.
Ejemplos y funciones concretas
El efecto jaula de Faraday está presente en algunos dispositivos de uso frecuente, aunque no hayan sido diseñados para bloquear campos eléctricos. Por ejemplo las cabinas de los ascensores y el interior de aviones y automóviles.
Esa es la razón de que los autos, a excepción de los modelos convertibles, sean lugares seguros para resguardarse de los rayos durante las tormentas eléctricas, y siempre que el cuerpo del automóvil contenga una buena parte de metal y menos fibra de vidrio o de carbono, porque el secreto está las propiedades de los conductores, como se verá más adelante.
Las jaulas de Faraday se fabrican expresamente para brindar protección a los dispositivos cuyo funcionamiento se ve afectado por campos eléctricos externos, tales como circuitos en el interior de radios y teléfonos. Por cierto que estos aparatos dejan de funcionar si se envuelven en papel de aluminio, aunque un mallado metálico también es efectivo.
El horno de microondas funciona también como jaula de Faraday pero al revés, ya que la idea es que las microondas se queden dentro del horno para calentar la comida y no escapen hacia la cocina.
Los dispositivos de almacenamiento de datos se pueden guardar en las llamadas bolsas de Faraday, hechas de material conductor flexible y que funcionan bajo los mismos principios.
Asimismo, el efecto jaula de Faraday se emplea a mayor escala para proteger los equipos médicos como el de resonancia magnética, para que los campos electromagnéticos externos no causen interferencia y alteren el funcionamiento. Existen protocolos de construcción de jaulas de Faraday muy específicos para estos equipos en cuanto a dimensiones, ubicación y materiales.
Conductores en equilibrio frente a campos eléctricos externos
Puede decirse que el campo eléctrico es la influencia que tiene un objeto cargado en el espacio que lo rodea. Ahora bien, el efecto jaula de Faraday consiste en apantallar esta influencia en el interior de un recinto, o blindar el recinto mismo, para que los campos allí existentes sean indetectables en el exterior, como en el microondas.
Electrones libres en los conductores
Los materiales conductores como los metales tienen la facultad de apantallar los campos eléctricos debido a que poseen electrones libres. Estos electrones no están tan sujetos a sus átomos como los demás y usualmente se trata de los más externos, por lo que consiguen moverse con facilidad por el material. De allí que los metales sean buenos conductores de la electricidad y el calor.
Sin embargo, cuando un conductor se encuentra en equilibrio electrostático, no existe movimiento neto de carga en su interior, ya sea que el conductor carezca de carga neta o por el contrario, esté cargado eléctricamente.
Eventualmente los electrones libres del conductor pueden abandonar el equilibrio y moverse aceleradamente, siempre que exista una fuerza que haga el trabajo necesario. En tal caso son capaces de conducir una corriente eléctrica.
Pero a los efectos del blindaje de campos eléctricos, el conductor deberá permanecer en equilibrio.
Efecto del campo eléctrico externo
¿Qué sucede con el conductor en equilibrio cuando se lo coloca en un campo eléctrico externo? Al examinar la placa de material conductor de la figura, el campo externo Eext logra que los electrones libres se sitúen en el lado izquierdo del material, dejando el otro lado con déficit de electrones.
Se crea así un campo interno Eint dirigido en sentido opuesto al campo externo (los campos eléctricos siempre se dirigen desde las cargas positivas hacia las negativas), que si bien está en la misma dirección, cancela a Eext y da como resultando un campo nulo adentro del conductor.
Esta redistribución de cargas sucede aún si el conductor posee alguna carga eléctrica neta, y cualquier exceso de carga que tuviese, se acomodará en la superficie conductora sin problema. De no ser así, las cargas experimentarían una aceleración, que no es el caso.
Si el conductor tiene carga eléctrica neta cero no produce campo eléctrico en su exterior, pero si tiene carga neta distinta de 0, el campo que produce siempre es perpendicular a cada punto de la superficie conductora. Si no fuese así, existiría una componente tangencial que aceleraría las cargas.
Es claro ahora el funcionamiento de la jaula de Faraday: si se electrifica al conductor, cualquier carga neta quedará distribuida en su superficie, para mantener la condición de equilibrio electrostático y el campo eléctrico que produzca esta carga siempre estará dirigido perpendicularmente hacia afuera de la superficie conductora. Adentro de la misma el campo es nulo, ya que la carga superficial no afecta el interior.
¿Y qué sucede si se coloca una carga eléctrica puntual en el interior de una cáscara esférica metálica, descargada y en equilibrio electrostático? Pues que la esfera apantalla la carga eléctrica en su interior, porque el campo eléctrico dentro del material conductor de la esfera permanece nulo en equilibrio electrostático. De esta manera la carga eléctrica no será detectada afuera y es por esto que la jaula de Faraday tiene tantas aplicaciones en tan diversos ámbitos de la tecnología.
Trabajo publicado en: Ene., 2021.
