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O que é uma gaiola de Faraday e como funciona

A força vital de muitas facetas do nosso mundo é a electricidade.

Muitos dos nossos avanços técnicos deixarão de existir sem volts e amperes. Sem uma carga eléctrica a atravessar as nossas células, os nossos corpos nem sequer funcionarão.

Mas a electricidade irá tirar-nos o que a electricidade nos fornece.

Embora esta fonte de energia seja crucial para tanta coisa da nossa vida, é uma das coisas que só é boa nas quantidades certas. Demasiada energia pode electrocutar indivíduos. Da mesma forma, a nossa nova electrónica e computadores podem ser destruídos.

Mas graças ao génio cientista do século XIX, Michael Faraday, e a uma das suas invenções homónimas, a jaula de Faraday, construímos muitas formas de regular a electricidade e torná-la mais segura para as nossas máquinas, automóveis e outras invenções, e também para nós.

 

Como as jaulas de faraday são protectoras

As gaiolas de Faraday protegem o seu conteúdo de campos eléctricos estáticos. Um campo eléctrico é um campo de força, tal como um electrão ou próton, que envolve uma partícula carregada.

Muitas vezes, estas gaiolas têm um aspecto distinto, bem, cageloso. Algumas são tão fáceis como vedações ou baldes de gelo que são encadeados. Uma fina malha metálica é utilizada entre algumas.

Todas as gaiolas de Faraday tomam cargas electrostáticas, ou mesmo certos tipos de radiação electromagnética, independentemente da sua aparência exacta, e distribuem-nas pelo exterior da gaiola.

Está tudo à nossa volta com radiação electromagnética.

As microondas que cozinham a nossa comida e mesmo as ondas de rádio FM e AM que bombeiam música para os nossos rádios estão em luz visível e ultra-violeta.

Mas esta radiação é indesejável e frequentemente destrutiva. É aí que entram as gaiolas em Faraday.

Como uma jaula de Faraday distribui essa carga ou radiação em torno do exterior da jaula, cancela cargas eléctricas ou radiação dentro do interior da jaula. Em suma, uma jaula de Faraday é um condutor oco, em que a carga permanece na superfície externa da gaiola.

A característica de base tem muitas utilizações fascinantes no nosso mundo eletricamente desorganizado e repleto de tecnologia.

 

As primeiras descobertas de Franklin

Foi Ben Franklin que ajudou a inspirar muitas das ideias por detrás das jaulas de Faraday. Franklin, claro, passou parte da sua carreira voando pipas em trovoadas em tentativas de atrair relâmpagos e, por isso, já estava de certa forma familiarizado com os conceitos da electricidade.

Em 1755, Franklin começou a brincar com a electricidade de novas formas.

Ele electrificou uma lata de pinta de prata e baixou uma bola de cortiça não carregada presa a um fio de seda não condutor para dentro dela.

Ele baixou a bola até tocar o fundo da lata e observou que a bola não era atraída para os lados interiores da lata.

Contudo, quando Franklin retirou a bola de cortiça e a balançou perto do exterior da lata electrificada, a bola foi imediatamente atraída para o interior da lata.

A interacção entre a electricidade e os artigos carregados e não carregados mistificou o Franklin. Numa carta a um colega, ele admitiu o mesmo: “Precisa da razão; não a conheço. Talvez a consiga encontrar, e depois será tão fixe expressá-la a mim”.

Décadas mais tarde, outras descobertas importantes foram feitas por um físico e químico inglês chamado Michael Faraday – ou seja, ele descobriu que um condutor eléctrico (como uma gaiola metálica) exibia essa carga apenas na sua superfície quando carregado. Não teve qualquer impacto sobre o interior do condutor.

Faraday reafirmou esta descoberta com a utilização de um gerador electrostático, enchendo uma sala com folha de metal e depois carregando a folha de metal.

Colocou um electroscópio (um dispositivo que detecta cargas eléctricas) no interior da sala, e o aparelho indicava que não havia carga no interior da sala, como ele previa. A carga só percorreu a superfície da folha de alumínio e não penetrou de todo no espaço.

Com a sua famosa experiência de balde de gelo, Faraday examinou mais aprofundadamente este fenómeno. Essencialmente duplicou o conceito de Franklin neste teste, baixando uma bola de latão carregada para um copo de metal. Os seus resultados foram, como previsto, os mesmos que os de Franklin.

Há todo o tipo de aplicações a este conceito, mas aqui está uma que é relevante para qualquer pessoa que já tenha estado num avião.

Imagine voar num avião atingido por um raio, de repente. Isto não é uma ocorrência invulgar – ocorre frequentemente diariamente, mas não é afectado pelo avião e pelos seus passageiros.

Isto é porque o casco de alumínio do avião cria uma gaiola para Faraday. A carga do raio move-se inofensivamente sobre a superfície do avião sem danificar o equipamento ou as pessoas no seu interior.

Electrostática para as pessoas

É necessária uma compreensão básica de como funciona a electricidade nos condutores, a fim de compreender como funcionam as gaiolas de Faraday.

O processo é simples: os objectos metálicos são condutores, tais como uma malha de alumínio, e têm electrões (partículas carregadas negativamente) que viajam por aí.

Quando não há carga eléctrica, o condutor tem aproximadamente o mesmo número de partículas positivas e negativas em conjunto.

Se um objecto externo com carga eléctrica se aproxima do condutor, as partículas positivas e negativas separam-se. A esse objecto externo, os electrões com uma carga oposta à da carga externa são atraídos.

Os electrões são repelidos e afastam-se do objecto, com a mesma carga que o objecto externo. É chamada indução electrostática para esta redistribuição de cargas.

Os iões positivos e os negativos acabam em lados opostos do condutor com o objecto carregado externo presente. O efeito é um campo eléctrico oposto que dentro do condutor metálico cancela o campo da carga do objecto externo.

Dentro da malha de alumínio, a carga eléctrica da rede é, então, zero.

E a verdadeira carga eléctrica está aqui.

Embora não haja carga no interior do condutor, há um efeito significativo no campo eléctrico oposto – protege o interior de cargas eléctricas estáticas no exterior e também da radiação electromagnética, tais como ondas de rádio e micro-ondas.

O verdadeiro valor das gaiolas de Faraday reside nelas.

As jaulas de Faraday por vezes têm outros nomes. Podem chamar-se escudos de Faraday, gaiolas de RF (radiofrequência), ou gaiolas de EMF (força electromotriz).

Não importa como se lhes chame, as jaulas de Faraday são mais frequentemente utilizadas em laboratórios científicos, quer em experiências ou no desenvolvimento de produtos.

 

Exemplos de jaulas de faraday na vida quotidiana

As pessoas utilizam jaulas de Faraday para uma vasta gama de fins — por vezes em ambientes de laboratório esotérico, outras vezes em produtos comuns.

O seu carro, por exemplo, é basicamente uma jaula de Faraday. É o efeito da gaiola, não os pneus de borracha, que o protege no caso de um relâmpago próximo.

Muitos edifícios também actuam como jaulas de Faraday, nem que seja por acidente. Com os seus rebocos ou paredes de betão espalhados com vergalhão metálico ou rede de arame, muitas vezes causam estragos com redes de Internet sem fios e sinais de telemóveis.

Os fornos de micro-ondas invertem o efeito, prendendo ondas dentro de uma gaiola e cozinhando rapidamente os seus alimentos.

Os cabos de TV blindados ajudam a manter uma imagem nítida e clara, reduzindo as interferências.

Os fornecedores de roupa de serviço público usam frequentemente roupas especialmente confeccionadas que exploram o conceito de gaiola de Faraday. Dentro destes tecidos, os homens podem trabalhar em linhas de alta tensão com um risco muito reduzido de electrocussão.

Os governos podem proteger equipamento vital de telecomunicações contra descargas atmosféricas e outras interferências electromagnéticas, construindo jaulas de Faraday à sua volta.

Os laboratórios científicos das universidades e corporações empregam jaulas de Faraday avançadas para excluir completamente todas as cargas eléctricas externas e radiação electromagnética para criar um ambiente de testes totalmente neutro para todo o tipo de experiências e desenvolvimento de produtos.

 

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