Jaula de Faraday
La jaula de Faraday es un recinto conductor cerrado que anula el campo eléctrico en su interior y atenúa las ondas electromagnéticas externas.
La jaula de Faraday es un recinto cerrado, formado por un material conductor macizo o por una malla metálica, que impide que los campos eléctricos externos penetren en su interior y atenúa las ondas electromagnéticas. Gracias a ella un pasajero está protegido dentro de un coche durante una tormenta, y por ella el microondas no «cocina» a quien mira por su puerta.
¿Qué es una jaula de Faraday?
Recibe su nombre del físico y químico británico Michael Faraday, que hacia 1836 construyó una gran cámara cubierta de papel de estaño y entró en ella mientras se descargaban sobre sus paredes potentes chispas eléctricas, sin sufrir ningún efecto en su interior. Con este experimento demostró que la carga eléctrica de un conductor se distribuye por su superficie exterior y que el interior queda libre de campo eléctrico.
Hoy el término se aplica a cualquier envolvente conductora, sea una caja metálica, una malla fina o una tela con hilos metálicos, que sirve de blindaje electromagnético.
¿Cómo funciona?
Un conductor tiene cargas libres, normalmente electrones (véase carga eléctrica), que se mueven con facilidad. Cuando se acerca un campo eléctrico exterior, esas cargas se redistribuyen en la superficie hasta crear un campo que cancela exactamente al exterior en el interior del conductor. Se llega así a un equilibrio electrostático con estas propiedades:
- El campo eléctrico dentro de la cavidad vale cero.
- Toda la carga neta reside en la superficie exterior.
- El potencial es el mismo en todos los puntos del conductor y de su interior.
Es la situación de la electrostática, y se deduce de la ley de Gauss: como en el conductor en equilibrio E = 0, el flujo del campo a través de una superficie interior es nulo y no puede haber carga neta dentro de la cavidad.
Con campos que varían en el tiempo, como las ondas de radio, las corrientes inducidas en el metal generan campos que se oponen al incidente. Esa oposición, relacionada con la ley de Faraday, atenúa la señal. La eficacia depende del material, del espesor y de la relación entre el tamaño de los huecos de la malla y la longitud de onda.
Factores que determinan el apantallamiento
| Factor | Efecto sobre el blindaje |
|---|---|
| Conductividad del material | Cuanto más conductor (cobre, aluminio), mejor atenúa. |
| Tamaño de los huecos de la malla | Debe ser mucho menor que la longitud de onda que se quiere bloquear. |
| Frecuencia de la onda | A mayor frecuencia, menor longitud de onda y más fácil es que se cuele por una rendija. |
| Continuidad de la envolvente | Las aberturas, juntas mal cerradas o cables sin filtrar reducen la eficacia. |
| Tipo de campo | Los campos magnéticos estáticos o de muy baja frecuencia necesitan materiales de alta permeabilidad, como el mu-metal. |
Ejemplos y aplicaciones
- Coches y aviones: la carrocería metálica conduce la corriente de un rayo por el exterior y protege a los ocupantes. Lo hace el metal, no los neumáticos de goma, como suele decirse. Un coche descapotable no ofrece esta protección.
- Hornos microondas: la puerta lleva una rejilla metálica con orificios de pocos milímetros, mucho menores que los 12 cm de la onda, que retiene la radiación dentro.
- Aislantes frente a conductores: a diferencia de un aislante eléctrico, que no blinda, el metal conduce y redistribuye las cargas.
- Cable coaxial: su malla exterior protege la señal de interferencias.
- Resonancia magnética y laboratorios: las salas se blindan para evitar interferencias en la medida.
- Seguridad de datos: fundas y bolsas que bloquean señales de tarjetas contactless, llaves de coche sin llave o móviles.
- Electrónica: carcasas metálicas de equipos para cumplir con la compatibilidad electromagnética.
- Trabajo en líneas de alta tensión: trajes conductores permiten operar con la línea en tensión.
Limitaciones
Una jaula de Faraday no es una barrera perfecta. Una malla deja pasar longitudes de onda comparables a sus huecos y los campos magnéticos estáticos, como el terrestre, la atraviesan. Por eso un móvil dentro de un ascensor puede conservar algo de cobertura y dentro de una caja de aluminio bien cerrada, no.
Ejercicios resueltos
1. Un horno microondas trabaja a 2,45 GHz. ¿Cuál es la longitud de onda de su radiación y por qué una rejilla de orificios de 2 mm la bloquea?
λ = c/f = 3 × 10⁸ / 2,45 × 10⁹ ≈ 0,122 m = 12,2 cm. Los orificios (2 mm) son unas 60 veces menores que la longitud de onda, así que la onda no puede atravesarlos y se comporta como si la puerta fuese una pared metálica.
2. Una esfera metálica hueca de 1 m de radio recibe una carga de 5 μC. ¿Cuánto vale el campo eléctrico en su interior y dónde se localiza la carga?
La carga se reparte por la superficie exterior y el campo en el interior es 0 N/C.
Preguntas frecuentes
¿Un coche protege de los rayos por los neumáticos?
No. Lo hace la carrocería metálica, que actúa como jaula de Faraday: la corriente del rayo circula por el exterior y el interior queda libre de campo. Los neumáticos aíslan muy poco frente a millones de voltios.
¿Se puede fabricar una jaula de Faraday casera?
Sí, con una caja metálica cerrada o varias capas de papel de aluminio. Para bloquear señales de móvil o wifi debe cubrir el objeto por completo, sin huecos ni juntas abiertas.
¿Por qué se pierde la cobertura en un ascensor?
Porque la cabina metálica funciona como una jaula de Faraday imperfecta que atenúa las ondas de radio de los móviles.
¿Bloquea una jaula de Faraday el campo magnético terrestre?
No. Un campo magnético estático atraviesa los conductores comunes. Para blindarlo se emplean materiales ferromagnéticos de alta permeabilidad.
Referencias
- Griffiths, D. J. Introduction to Electrodynamics. Cambridge University Press.
- Serway, R. A. y Jewett, J. W. Física para ciencias e ingeniería. Cengage Learning.
- Feynman, R. P., Leighton, R. B. y Sands, M. Física. Volumen II. Addison-Wesley.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2024). «Jaula de Faraday». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/fisica/jaula-de-faraday/
