La gabbia di Faraday , scoperta da Michael Faraday nel 1836, è un'invenzione significativa che blocca le onde elettromagnetiche in arrivo. Incontriamo molte applicazioni della gabbia di Faraday nella nostra vita quotidiana senza nemmeno rendercene conto. Grazie a questi sistemi, siamo protetti dagli effetti nocivi delle onde elettromagnetiche. Sono particolarmente efficaci nel proteggere i nostri edifici e i dispositivi elettronici dalle scariche elettriche naturali come i fulmini. Questa tecnologia è uno degli eroi invisibili della vita moderna.

Cos'è una gabbia di Faraday?

Una gabbia di Faraday , un sistema reticolare chiuso costituito da un materiale conduttore, si basa sul principio secondo cui le cariche elettriche sono distribuite solo sulla superficie. Questo principio fisico ha avuto origine dagli esperimenti sull'elettricità e sul magnetismo condotti dallo scienziato britannico Michael Faraday. Considerando lo scopo di una gabbia di Faraday , la sua funzione più elementare è quella di impedire ai campi elettromagnetici esterni di penetrare all'interno o alle onde elettromagnetiche di fuoriuscire. Questo reticolo conduttore protegge lo spazio interno facendo circolare la corrente elettrica sulla sua superficie. In questo modo, isola l'interno dagli effetti dannosi dei campi elettrici intensi.

Come funziona una gabbia di Faraday?

Il principio di funzionamento si basa su un fenomeno fisico noto come induzione elettrostatica. Un campo elettrico esterno provoca lo spostamento degli elettroni liberi sulla gabbia. Questi elettroni si ridistribuiscono sulla superficie della gabbia. Questa ridistribuzione crea un campo elettrico opposto che bilancia perfettamente il campo elettrico esterno. Di conseguenza, il campo elettrico netto all'interno della gabbia diventa pari a zero e gli oggetti al suo interno sono completamente protetti. Pertanto, quando si verifica un fulmine , la corrente elettrica rimane sulla superficie esterna della gabbia di Faraday. Le persone o i dispositivi elettronici al suo interno non subiscono danni.

La costruzione di una gabbia di Faraday varia a seconda dell'uso previsto. Fondamentalmente, è costituita da una rete o maglia composta da materiali conduttivi interconnessi come rame, alluminio o acciaio. L'efficacia della gabbia dipende dalla conduttività del materiale utilizzato, dalla dimensione dei pori della rete e dalla frequenza delle onde elettromagnetiche da proteggere. Tuttavia, il punto importante è che la dimensione dei pori sia inferiore alla lunghezza d'onda dell'onda elettromagnetica da proteggere. In questo modo, anche le onde ad alta frequenza possono essere bloccate con successo dalla gabbia di Faraday . Grazie a queste proprietà, è diventata una parte indispensabile dei sistemi di protezione degli edifici contro le scariche elettriche ad alta tensione come i fulmini.

Il ruolo delle gabbie di Faraday nei sistemi di protezione dai fulmini

Nel mondo della protezione contro i fulmini , la gabbia di Faraday si distingue come uno dei sistemi più affidabili. La sua funzione principale è proteggere gli esseri viventi e gli oggetti dagli effetti dannosi dei fulmini. Infatti, l'attuale norma IEC 62305 non include direttamente il concetto di "gabbia di Faraday". In Turchia, questo termine è utilizzato per descrivere gli scaricatori passivi contro i fulmini , i metodi a maglia che utilizzano conduttori nudi e i sistemi costituiti da conduttori di caduta nudi che scendono dalla superficie dell'edificio.

Fornisce un sistema di protezione costituito da conduttori intrecciati che ricoprono il tetto e le pareti della struttura. Questo sistema è composto da terminali di cattura, conduttori di copertura, conduttori di discesa e componenti di messa a terra. È considerato il metodo più efficace tra i sistemi di protezione contro i fulmini. È il metodo di protezione preferito, soprattutto nei data center, nelle sale server, nei laboratori e nelle strutture contenenti materiali infiammabili ed esplosivi.

Le gabbie di Faraday , realizzate secondo la norma TSE EN 62305, sono progettate con criteri diversi a seconda del livello di protezione. La spaziatura tra le gabbie varia a seconda del livello di protezione come segue:

Livelli di protezione (IEC/TS secondo il coefficiente E):

• E > 0,98 → Livello 1
• 0,95 < E ≤ 0,98 → Livello 2
• 0,90 < E ≤ 0,95 → Livello 3
• 0,80 < E ≤ 0,90 → Livello 4
• Una volta determinati questi livelli e progettato il progetto di conseguenza, la gabbia di Faraday viene realizzata in modo conforme a questi criteri.

Distanza tra le gabbie in base ai livelli di protezione

• 5x5 m per il livello 1.
• 10x10 m per il livello II.
• Livello III: 15x15 m
• 20x20 m per il livello IV.

Di conseguenza, la spaziatura tra i conduttori di discesa varia tra 10 e 20 metri a seconda del livello di protezione.

La progettazione di una gabbia di Faraday dipende dalla struttura architettonica dell'edificio e dalle esigenze di protezione. Innanzitutto, vengono effettuate consultazioni con il proprietario dell'edificio, l'architetto, gli appaltatori e gli installatori elettrici per preparare i disegni di progetto. Uno dei vantaggi di questo sistema è la significativa riduzione del campo elettromagnetico all'interno dell'area protetta e la deviazione sicura delle correnti di fulmine separandole in più conduttori. Contribuisce inoltre alla creazione di un collegamento equipotenziale generale tra le strutture conduttive e il terreno.

Applicazioni e costruzione delle gabbie di Faraday

Incontriamo spesso applicazioni basate sulla gabbia di Faraday nella nostra vita quotidiana, ma spesso non ne siamo nemmeno consapevoli. Forni a microonde, automobili, aerei e persino custodie speciali per telefoni cellulari sono applicazioni che funzionano secondo questo principio. Sebbene la risposta alla domanda "A cosa serve una gabbia di Faraday?" vari a seconda dell'applicazione, lo scopo fondamentale è sempre il controllo delle onde elettromagnetiche.

Le sale di risonanza magnetica utilizzate negli ospedali sono progettate utilizzando il principio della gabbia di Faraday per impedire l'ingresso di onde elettromagnetiche esterne. Questo impedisce interferenze da onde elettromagnetiche esterne durante l'imaging. Questo sistema viene utilizzato anche per prevenire interferenze elettromagnetiche in luoghi in cui sono presenti apparecchiature elettroniche sensibili, come data center, strutture militari e laboratori. Anche alcuni spazi comuni sono racchiusi in gabbie di Faraday per limitare l'uso della tecnologia.

Nei sistemi a gabbia di Faraday utilizzati per la protezione dai fulmini negli edifici, la superficie esterna della struttura è rivestita da fili conduttivi disposti a maglie. Tutti i conduttori e i metalli appuntiti (terminali di cattura dei fulmini) sono collegati tra loro e messi a terra.

In conclusione, i sistemi a gabbia di Faraday sono essenziali per la protezione dai fulmini. Oggi, con i progressi tecnologici, questi sistemi sono diventati ancora più avanzati e diversificati. In futuro, con l'aumento dell'inquinamento elettromagnetico, l'importanza di questa tecnologia non potrà che crescere. Pertanto, comprendere e applicare correttamente i principi di questo sistema è fondamentale per proteggere i nostri dispositivi e le nostre strutture elettroniche.

Domande frequenti (FAQ)

Qual è il ruolo della gabbia di Faraday nella protezione dai fulmini?

È un metodo efficace per proteggere gli edifici dai fulmini. Contenendo la corrente del fulmine sulla superficie esterna della struttura, protegge le persone e i dispositivi elettronici.

La gabbia di Faraday protegge dai campi magnetici?

Sì, fornisce protezione sia dai campi elettromagnetici statici che da quelli variabili. Questa caratteristica consente di proteggere dispositivi elettronici e strumenti di misura sensibili da influenze esterne.

Quali apparecchiature vengono utilizzate per la protezione dai fulmini mediante gabbia di Faraday?

1. Cavi conduttivi sul tetto

• È formato da conduttori in rame, CCA, alluminio o acciaio zincato .
• Conduttori in rame o acciaio zincato utilizzati nel terreno e nel calcestruzzo attorno all'edificio.

2. Estremità attive e passive

• Prima cattura il fulmine, poi lo trasmette a terra attraverso percorsi conduttivi.
• I materiali preferiti per la fabbricazione di punte di cattura passive sono il rame, l'alluminio, l'acciaio zincato e l'acciaio inossidabile.

3. Conduttori a valle

• Si tratta di conduttori che trasportano la corrente del fulmine dal parafulmine o dalla rete conduttiva del tetto all'impianto di messa a terra.
• Vengono comunemente utilizzati conduttori in rame monocristallino, acciaio zincato e alluminio.
• Secondo il progetto, come conduttori di discesa possono essere utilizzate barre di rinforzo in acciaio inserite nel calcestruzzo.

4. Elettrodi di messa a terra

• Garantisce che la corrente del fulmine defluisca in modo sicuro nel terreno.
• Può essere di tipo a barra, a piastra o ad anello.
• È realizzato in acciaio zincato, rame o acciaio inossidabile.
• L'utilizzo di conduttori in alluminio come elettrodi o conduttori di messa a terra non è idoneo.