Faraday, nel 1836, costruì la gabbia che prese il suo nome mettendo in luce le proprietà schermanti verso campi elettrostatici. Le cariche elettriche interessano solo la parte esterna in altre parole la corrente scivola via nella maglia conduttiva 1.
Il comportamento elettrostatico di una gabbia di Faraday può essere valutato sperimentalmente con un elettroscopio a foglioline inserito all’interno della gabbia: quand’anche sulla rete esterna sono scaricate roboanti saette generate da macchine elettrostatiche o elettrodinamiche l’elettroscopio resta imperturbato.
Fino alla fine dell’800, nessuno neanche nell’anticamera del cervello poteva immaginarsi dell’esistenza dell’onda elettromagnetica, neppure Giulio Verne 2. Il termine elettromagnetico usato nell’induzione faradayna non è riferito alle proprietà di un’onda ma allo stretto legame di scambio energetico tra i due campi 3. Principio del: trasformatore, generatore, motore.
La rivelazione e quindi l’esistenza delle onde elettromagnetiche è avvenuta con la diffusione degli esperimenti di Hertz nel 1888 validando la teoria di Maxwell del 1866, e gradualmente si è compreso che la luce è un onda elettromagnetica.
L’onda radio si propaga come una radiazione, la stessa della luce. Le antenne radio sono anche chiamate radiatori. Ciò che cambia è la lunghezza d’onda e di conseguenza l’interazione con i materiali che compongono la materia degli oggetti
Tale interazione dipende dalla frequenza e dalle dimensioni. Un raggio gamma ha una lunghezza d’onda talmente piccola da riuscire ad “entrare” all’interno dei nuclei atomici. E’ molto difficile se non impossibile schermarlo.
Ma anche una alta radiofrequenza implica un alta velocità di movimento degli elettroni. E non è detto che gli elettroni siano in grado di muoversi così velocemente!
Un materiale conduttore a bassa frequenza, può diventare isolante ad alta frequenza.
Un materiale è un buon conduttore quando il rapporto tra la conduttanza specifica,σ, e il prodotto tra frequenza e costante dielettrica,ε, è >>1(buon dielettrico se è <<1) .
La corrente di conduzione determina il fenomeno della perdita di energia mentre nel dielettrico abbiamo corrente di spostamento senza pedite d’energia.
Se la barriera è formata da un conduttore ideale, perfetto tutto l’energia è riflessa.
E’ su questo principio che si basano le parabole delle antenne radio riflessive ed i ripetitori passivi (specchi metallici) dei ponti radio a microonde.
Un onda elettromagnatica “vede” uniformemente tutto quello che è più piccolo di circa 1/8- 1/10 della sua lunghezza d’onda.
Quindi a 10 GHz possiamo avere rugosità della parete riflettente di circa 4-3mm ed essa si comporterà come una superficie perfettamente liscia. Alle frequenze di 1 e 2 GHz è talmente alto il valore tollerato della rugosità (4-2cm) che è inutile costruire specchi in metallo pieno. Si riducono peso e costo, realizzando una “rete metallica”.
Ad esempio il celebre radiotelescopio di Arecibo, che occupa una intera conca naturale, sembra una superficie continua, visto da lontano (immagine a sinistra). Se invece lo si guarda da vicino, appare costituita da un telaio che regge una rete di metallo a passo fino tale da riflettere onde radio fino a 5 GHz. Se fosse stato di metallo pieno oltre che costoso, non passerebbe nessuna radiazione solare (centinaia di Thz) e sotto l’enorme antenna radio non ci sarebbe nessuna forma di vita.
Se intendiamo continuare a chiamare gabbia di faraday una barriera verso i campi elettrici di un onda elettromagnetica, la trama della gabbia (aperture) non deve essere più grande di almeno 1/10 della lunghezza d’onda. Non sarà uno schermo perfetto, poiché il conduttore non è ideale e quindi una parte dell’energia attraverserà la gabbia.
L’automobile allora è una “perfetta gabbia di Faraday” come ipotizza il lettore? Dipende dalle frequenze in gioco: per l’elettrostatica (fulmine) sicuramente sì. No, per le componenti spettrali di alta frequenza con lunghezze d’onda, generate dal fulmine, confrontabili con le dimensioni delle aperture.
Per le frequenze captate da un ricevitore radio in banda FM (88-108Mhz) sicuramente no: il parabrezza, i finestrini, hanno dimensioni geometriche comparabile con le lunghezza d’onda di 3 metri delle emissioni in modulazione di frequenza e quindi l’onda elettromagnetica riesce ad “entrare”.
Per il principio di Huygens tutti i punti di un fronte d’onda possono essere considerati come sorgenti di nuove radiazioni. Il fronte d’onda dell’onda piana avvolge l’auto (anche il lato d’ombra) e s’infiltra nei finestrini.
Addirittura, il campo elettrico dell’onda ricevuto della radiolina potrebbe essere maggiore, causa, sommatoria favorevole di fasi dovute a riflessioni e diffusioni interne all’abitacolo, rispetto all’assenza della schermatura dell’auto. Oppure annullarsi se la sommatoria dei segnali sono controfase.
E’ quello che poi avviene, quando in una stanza ricca di riflessioni, il livello del segnale del nostro telefonino è buono e appena ci spostiamo anche di poco il segnale si abbassa o si annulla (o viceversa).
Note
1) Risposte sul funzionamento della gabbia di Faraday.
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=8994
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=8271
http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=2316
2) Verne seppe in un circolo culturale delle leggi di Newton (oltre 200 anni dopo) e le applico nel suo libro “Viaggio sulla Luna” per uscire dal “pozzo” gravitazionale terra.
Verne risolse il problema della comunicazione alla terra dell’avvenuto allunaggio dapprima proponendo lo srotolamento di un filo telegrafico durante la partenza del razzo, di seguito, poiché l’idea non fu realizzabile causa arrotolamento attorno al globo dovuta alla sua rotazione, utilizzò il telescopio di Long’s Peak.
3) Faraday dimostrò che un campo magnetico variabile nel tempo induce un campo elettrico simile a quello generato da una macchina elettrostatica. Con una sostanziale differenza le linee del campo elettrico indotto da un campo magnetico variabile nel tempo su chiudono su se stesse, mentre le linee di un campo elettrico generato per sfregamento hanno origine sulle cariche positive e terminano sulle cariche negative.