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16 ene 2018

FARADAY Y LA FÍSICA DE UNA CUBETA DE HIELO

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Aunque Faraday no pudo disfrutar de volar en avión puede que hubiera compartido ese miedo visceral que experimentan los aerofóbicos a verse confinados en un armatoste metálico que vuela a gran velocidad a miles de metros de altura de tierra firme. Ni que decir tiene que este pánico puede verse acrecentado cuando se atraviesa una tormenta eléctrica por miedo a que un rayo impacte en la aeronave pues es bien conocida la enorme magnitud de esta fuerza de la naturaleza. Sin embargo, el tema no debe preocuparnos pues a los ocupantes del avión no les ocurrirá nada, al menos, por causa del rayo.

portada

Esto lo sabemos gracias a la física, en concreto, a un descubrimiento que realizó el británico Michael Faraday tras un experimento que vino a llamarse “de la cubeta de hielo” por emplear para su realización el recipiente metálico donde custodiaba el hielo que usaba en su laboratorio. Demostró que la carga eléctrica se acumula únicamente en el exterior de un cuerpo conductor cargado independientemente de lo que se encuentre en su interior. El experimento  partía de introducir una bola de metal en el interior de la cubitera conductora que había sido colocada sobre una banqueta de madera para aislarla del suelo pendiendo de un hilo. Para conseguir medir la carga eléctrica Faraday empleó un electroscopio consistente en un par de delgadas láminas conductoras que recibían carga del objeto al que se conectaban y que, por efecto de la repulsión electrostática, se separaban más cuanto mayor era la carga que portaban. Al principio la cubitera fue conectada al suelo (considerado valor de referencia de potencial) y comprobó con el electroscopio que, efectivamente, estaba totalmente descargada al igual que su interior (laminillas juntas).

Jaula de Faraday, experimento de la cubeta de hielo.

Electroscopio certificando la ausencia de carga interior al estar el armazón conectado a tierra.

A continuación con el electroscopio comprobó que la esfera contenía carga eléctrica positiva. Cuando el electroscopio se conectó a la cubeta y se fue introduciendo progresivamente la bola cargada en el interior de aquélla sin contacto entre ambos cuerpos se observó que el recipiente metálico iba ganando carga conforme se introducía el cuerpo cargado.

Jaula de Faraday, experimento de la cubeta de hielo.

Electroscopio reconociendo carga inducida en la superficie de la cubeta

¿Cómo podía haberse cargado el recipiente si se encontraba aislado y nunca tocó al segundo cuerpo? La carga no variaba aunque la bola se desplazara por el interior y al extraerla, el recipiente perdía su carga. Aquí surgió la cuestión de las líneas de campo que inducían a generar nuevas cargas en la superficie exterior del conductor, era la acción a distancia que provocaba la carga.

Para modelizar mentalmente el fenómeno del avión  podríamos suponer un conductor cerrado con carga en equilibrio distribuida por su superficie.

Cuando un campo eléctrico externo lo recorre, las cargas se reordenan polarizándose adecuadamente a la orientación del campo (las cargas positivas tienden a huir de la zona electropositiva del conductor). Siendo así, la nueva ordenación de la carga crea un campo eléctrico interno que tendrá como fuente la carga positiva dirigiéndose hacia la negativa de tal forma que ambos campos (exterior e interior) se cancelan dando como resultado un campo nulo en el interior.

Principio de funcionamiento de la jaula de Faraday

Evolución de la carga al someterse el conductor a un campo exterior. En el proceso se crea un campo interior que contrarresta al principal anulando su efecto.

Este hecho,  que garantiza que lo que ocurre fuera y dentro del conductor son hechos desconectados, ha propiciado su uso de forma industrial en numerosos objetos cotidianos y dado su efecto de contención de la carga ha recibido un nombre fácilmente recordable de jaula de Faraday.

Volviendo a nuestro ejemplo, la carga del rayo se distribuye por el casco conductor, metálico, de la aeronave pero no se introduce en su interior tenga el conductor la forma que tenga y se puede comprobar con el teorema del flujo de Gauss que reza que el flujo de campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga contenida dentro de la superficie, dividida entre la constante dieléctrica.

\phi=\int \overrightarrow{E}\cdot \overrightarrow{dS}=\frac{q}{\epsilon_0}

Esta superficie cerrada se conoce como superficie gaussiana.

No sólo las aeronaves se benefician de este principio. Todos conocemos el peligro de cobijarnos bajo un árbol solitario en caso de tormenta eléctrica pues su figura puede favorecer un “efecto punta” y actuar como un pararrayos. Sin embargo, resguardarnos en el interior de un vehículo sí sería una decisión acertada ya que la masa del vehículo actuaría como un conductor cerrado a modo de jaula de Faraday quedando asegurada la protección a afectos eléctricos de sus ocupantes.

Algo a tener en cuenta, no obstante lo anterior, es que la carga del rayo descendería a tierra a través de las ruedas a modo de ruptura del dieléctrico en un condensador pero los neumáticos son elementos aislantes y la carga tras el impacto puede mantenerse circulante sobre la carrocería hasta que se complete la fase de descarga.

Este mismo efecto puede encontrarse en aparatos tecnológicos donde se desea aislar o confinar los campos electromagnéticos. En muchas aplicaciones industriales y de telecomunicaciones se necesitan cables apantallados que impidan interferencias y ruido eléctrico. La incorporación de una fina malla metálica o papel conductor envolvente previo a la banda aislante permite crear una suerte de jaula de Faraday que consigue independizar los campos eléctricos dentro y fuera de la barrera conductora. Es lo que se denomina blindaje capacitivo. Para evitar la circulación de cargas por la superficie de la malla se conecta un único extremo a tierra. Este apantallamiento puede combinarse con uno inductivo que evite acoplamientos magnéticos empleando materiales de alta permeabilidad magnética. Las radiofrecuencias suelen emplear un doble apantallamiento, uno de alta conductividad y otro de alta permeabilidad para proteger, respectivamente, de pérdidas por reflexión y absorción.

Uno de los aparatos estrella de nuestra cocina (aunque su uso poco tiene que ver con lo previsto inicialmente) se lo debemos a un experimento accidental de Perry Spencer, un ingeniero de la Raytheon Corporation, cuando trabajaba con un magnetrón (una cavidad metálica con un filamento que se vuelve incandescente y emite electrones en las inmediaciones de un potente imán que crea los pulsos).

jaulas de Faraday

Microondas, se comportan como jaulas de Faraday

Se cuenta que una chocolatina de su bolsillo se derritió mientras el aparato generaba ondas electromagnéticas en el rango de las microondas y que de esta anécdota surgió su nombre. El funcionamiento de este aparato se basa en la generación de pulsos electromagnéticos con frecuencia próxima a los 2,45 GHz (es decir, su polaridad cambia dos mil cuatrocientas cincuenta millones de veces cada segundo), en el tramo entre las ondas de radio y los infrarrojos que aumenta la energía de vibración de las moléculas de agua de los alimentos, algunos azúcares y grasas propiciando  su excitación y movimiento violento que incrementa la temperatura del cuerpo desde su interior al exterior. Cuando los electrones encuentran objetos metálicos pueden crear corrientes eléctricas que afectarán al normal funcionamiento del aparato y el lector podría preguntarse por qué no le afecta que el interior de la cavidad del microondas (el aparato) esté fabricada en metal. La respuesta reside en la forma de la cavidad pues siempre es redondeada y carece de aristas. Así, los electrones rebotan atravesando una y otra vez los alimentos y los recipientes aptos para este uso. Si nos preguntamos por qué no escapan al exterior estos electrones la respuesta es evidente al encajarla en este artículo, la jaula de Faraday. Hemos dicho que el interior es metálico diseñado específicamente para que sirva de superficie de rebote al electrón y sólo le quedaría la posibilidad de abandonar el receptáculo por el hueco de la puerta pero puede apreciarse a simple vista en la mayoría de los aparatos que la puerta cuenta con una malla metálica embebida que cierra nuestra jaula impidiendo que los electrones abandonen el conductor y afecten al exterior, al menos, hasta que abriésemos la puerta pero cuando esto ocurre, un microrruptor desconecta el funcionamiento del magnetrón asegurando nuestra seguridad.

Faraday fue, sin duda, un prestigioso científico, plural en cuanto a las disciplinas que abordaba y con una profunda ética que discurría en paralelo a una sólida fe que le hacía despreciar el enriquecimiento personal y la acumulación de mérito público (lo que le llevó a rechazar en hasta dos ocasiones la presidencia de la Royal Society, el título de investidura como caballero y una sepultura junto al mismísimo Isaac Newton en la Abadía de Westminster). Gracias a sus estudios contamos hoy día con máquinas tan importantes como los generadores y motores eléctricos, una gran variedad de dispositivos electromecánicos, el concepto de diamagnetismo, dispositivos para laboratorio y un largo etcétera.

Autor: JAVIER LUQUE  @fdetsocial

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Bibliografía consultada y créditos de imágenes:

A. Díaz-Hellín, Faraday: el gran cambio en la Física

Gerardo Carmona et al, Michael Faraday: un Genio de la Física Experimental

Faraday Michael, la historia química de una vela 

J.A. Fidalgo, Física General

Cocesa, General Cable: cables especiales.

Imagen de portada: De Maxime Raynal from France – Orage PLN, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=42048641

Imagen de microondas: https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3A16microwikipedia.jpg

Resto de imágenes: obra del autor del artículo.

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