Gaiola de Faraday

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Gaiola de Faraday
Autora Anabel Cardoso Raicik
Revisão e adaptação por Camila Gasparin
06/12
Figura 1: http://peraiblog.blogspot.com.br/2012/04/como-fazer-uma-gaiola-de-faraday.html
Já parou para pensar?
Você já parou para pensar por que quando entra em um elevador falando no celular a ligação cai? Ou por que os passageiros não levam choque quando um raio cai em um avião? Ainda mais, por que não se leva choque quando um raio cai em um carro?
Este fato parece sem explicação, mas pode ser facilmente entendido através do experimento da Gaiola de Faraday.
O experimento é construído sem dificuldades e com um custo financeiro relativamente baixo, principalmente se construído por equipes de alunos, e pode ser contextualizado com aplicações de tal no dia a dia, com equipamentos conhecidos pelos alunos, como celulares e rádio. Além de podermos exemplificar o princípio de uma blindagem eletrostática, o experimento instiga a curiosidade de diversos alunos e de diferentes idades. Pode ser um instrumento apresentável para diferentes turmas de diferentes séries, mas para nível de aprofundamento, este seria melhor aplicável, com pré-requisito de física eletromagnética, ou seja, seria melhor trabalhado com alunos do terceiro ano do Ensino Médio. Assim os alunos poderão compreender como a Gaiola de Faraday funciona e quais suas aplicações.
	Uma das questões interessantes dessa experiência é a discussão de que o material, do qual se quer construir a gaiola, é tão importante quanto a abertura de tal, como discutimos, e principalmente ficou nítido na experimentação.
O que iremos discutir?
Comprimento de onda
Campo Elétrico
Corrente
Blindagem eletrostática
Vamos responder?
	Neste experimento vamos testar o funcionamento de uma gaiola de Faraday feita de uma lata de metal e colocando um celular dentro desta. 
A primeira gaiola de Faraday foi estudada por Michael Faraday (1791–1867) um químico e físico inglês, para provar que uma superfície condutora eletrizada possui campo elétrico nulo em seu interior dado que as cargas se distribuem de forma homogênea na parte mais externa da superfície condutora conforme a Figura 2:
Figura 2: http://www.educacional.com.br/upload/blogSite/3320/3320704/campo%20el%C3%A9trico.gif
Uma Gaiola de Faraday é uma blindagem elétrica, ou seja, uma superfície condutora que envolve uma dada região do espaço e que pode, em certas situações, impedir a entrada de perturbações produzidas por campos eletrostáticos e/ou eletromagnéticos externos. Esta estrutura previne que sinais elétricos muito fortes, por exemplo, provenientes de um relâmpago criem campos elétricos muito intensos dentro da gaiola. Veja a Figura 3:
Figura 3: http://www.sobrevivendo.com.br/2011/01/como-fazer-uma-gaiola-de-faraday.html
Ao colocarmos o celular dentro da lata, este acaba pertencendo ao interior de uma superfície metálica (gaiola de Faraday), ou seja, torna-se o interior de um condutor elétrico fechado e oco. O campo elétrico no interior de um condutor eletrizado e em equilíbrio de cargas é nulo (Lei de Gauss). As ondas do celular, por sua vez, são ondas eletromagnéticas constituídas por campos elétricos e magnéticos variáveis no tempo. O que ocorre é que um campo elétrico variável gera um campo magnético também variável e vice-versa, assim, um vai produzindo o outro e faz com que a onda se propague pelo espaço (Equações de Maxwell: Lei de Ampère e Lei de Faraday-Lenz). 
Vamos experimentar?
O estudo de conceitos e fenômenos físicos tornou-se ao longo dos tempos muito teórico e pouco ilustrativo na forma de experimentos. Baseado neste impasse, com a dificuldade de compreensão, que os alunos apresentam por falta de visão real dos conceitos envolvidos é que foi desenvolvido este projeto.
Este experimento, Gaiola de Faraday, tem por objetivo, possibilitar ao aluno uma compreensão mais abrangente da blindagem elétrica, por meio de simulações de tal, com ligações telefônicas e um rádio. Buscando uma forma divertida de se aprender e de se ensinar.
A montagem experimental da Gaiola é acessível e fácil, podendo ser desenvolvida por grupos de alunos ou mesmo pelo professor, com um custo financeiro baixo. Podem ser desenvolvidos por estudantes de escola pública que em sua maioria não tem contato com laboratórios de ciência pela inexistência destes nas escolas. Utilizaremos basicamente latas de alumínio.
Apresentaremos a montagem de forma detalhada, para facilitar a montagem dos alunos que desejarem recriar esta experiência. 
Materiais Utilizados
Madeira 50cm x 25cm – Suporte
Cartolina	
Caneta
3 Latas de alumínio
Régua 
Tesoura
Super-bonder
Fita adesiva transparente
Isopor 
Celular
Pregos- diâmetro aproximadamente 3mm
Alicate
Fita dupla face
Montagem do experimento
Utilizamos a madeira para suporte, as latas como a gaiola, o celular para teste e os demais materiais para aprimorar o visual final.
Figura 4
I – UTILIZANDO A MADEIRA
Encape com cartolina a madeira. Cole as laterais com super bonder. Se preferir faça um detalhe com uma caneta colorida. Posteriormente encape com fita adesiva, para deixar a madeira plastificada. Atenção, este passo da montagem é opcional, não irá interferir no desenvolvimento e funcionamento do experimento.
Figura 5
II- UTILIZANDO AS LATAS
Com uma das latas, que chamaremos de L1, faça com a ajuda de um prego furos em seu entorno. Veja figura 6.
Figura 6
Ao furar a lata, verifique o diâmetro do prego, o mesmo deve ter 3mm.Com uma segunda lata, L2, e com um alicate, faça furos na mesma, em seu entorno, de forma que o diâmetro do mesmo seja de aproximadamente 4 cm. Veja figura 7.
Figura 7
A última lata então, L3 não sofrerá modificações.
III – FINALIZANDO
Cole com super bonder e fita dupla face uma lata ao lado da outra no suporte de madeira, veja figura 1. 
Em seguida vamos apenas aperfeiçoar o experimento fazendo placas para apresentar o diâmetro dos furos feitos. Corte retângulos de isopor, do tamanho que achar conveniente. Faça 3 destes. Veja figura 8.
Figura 8
Após, emcape com cartolina, os retângulos feitos, e escreva o tamanho do furo correspondente, posteriormente emcape-os com fita adesiva transparente.
Figura 9
Após o término das placas cole-as na frente das respectivas latas, uma placa na lata 1, sem furos, uma placa na lata 2 com 3mm e por fim uma placa na lata 3 com 4cm. Veja figura 10.
Figura 10
Pronto, sua Gaiola de Faraday já pode ser utilizada.
O que observamos?
Nessa atividade, utilizaremos três latas metálicas (leite em pó – com tampa) que funcionará como uma Gaiola de Faraday. O objetivo é demonstrar sua eficiência em “zerar” o campo no seu interior para isso colocaremos um celular. Se o sinal for realmente “destruído” no interior da lata, o celular não tocará. Mas, outros aparelhos podem ser utilizados como, por exemplo, um rádio. 
Para investigar a atenuação do sinal, podemos utilizar outra “geometria” para a nossa gaiola de Faraday, fazendo alguns furos pequenos de aproximadamente 3 mm de diâmetro numa lata idêntica à primeira. Observamos que o celular continua sem funcionar. Mas ao utilizarmos uma terceira configuração para a lata, com furos grandes com cerca de 4 cm de diâmetro, observamos que o celular funciona. Por quê?
Entendendo um pouco mais...
As ondas eletromagnéticas cobrem um espectro amplo de freqüências e conseqüentemente de comprimentos de onda, conforme Figura 9. Logo, é preciso saber em que faixa de freqüências pretende-se estudar o efeito, pois a “eficiência” da blindagem depende da região de freqüências em que se está trabalhando. Então, para uma determinada frequência e seu um respectivo comprimento de onda, temos que quando λ>>a (onde a é a abertura dos furos), do ponto de vista da onda, a lata será “vista” como uma superfície (um obstáculo) e a onda não penetrará no interior da lata, logo não conseguimos completar a ligação. Caso contrário, λ <<a, do ponto de vista da onda, a lata não será uma superfície (um obstáculo), o celulartocará. Um exemplo cotidiano dessa relação entre comprimentos de onda que pode ser facilmente observado é a grade existente na tampa de um forno de microondas. As microondas presentes no interior do forno não escapam para fora do mesmo, entretanto a luz visível consegue passar pela abertura e assim conseguimos ver o que estamos cozinhando.
Figura 11: http://ciencia.hsw.uol.com.br/radiacao.htm
De acordo com a Figura 11, podemos ver que a faixa de operação dos celulares vai de 3kHz a 300GHz. O sistema GSM (Sistema Global para Comunicações Móveis) utiliza dois conjuntos de frequências na banda dos 900 MHz: o primeiro nos 890-915MHz e o segundo nos 935-960MHZ, para as transmissões da rede. Assim, para fazer uma estimativa do comprimento de onda envolvido na atividade, vamos usar a freqüência de 900 MHz:
λ= 	 λ = 0,33 m 	 λ = 33,3 cm
Agora, como não é possível varrer todas as freqüências para uma mesma blindagem, vamos estimar um valor “mínimo” de referência. Para isso adotamos um comprimento de onda chamado comprimento de onda de corte que equivale a 10% do comprimento de onda que se quer bloquear. Logo, se os espaçamentos entre os fios condutores da gaiola forem maiores do que o comprimento de onda corte, a gaiola não será mais eficaz. Logo, utilizaremos 10% do valor calculado acima, ou seja, λ = 3,3 cm. Em nosso experimento, por arredondamento utilizaremos uma abertura de 4,0cm.
Para ampliar a discussão, vamos trocar de aparelho conforme discutido no início e ao invés de usar um celular vamos colocar um rádio. Este caso é análogo ao do celular, o funcionamento ou não do rádio irá depender do comprimento de onda, ou seja, da freqüência do rádio, e das aberturas na lata (Gaiola de Faraday). O interessante aqui, é que no rádio podemos variar a frequência, selecionando diferentes comprimentos de onda.
Podemos ligar o rádio em determinadas freqüências e analisarmos nas diferentes latas o momento em que o sinal é interrompido descobre-se qual é o comprimento de onda de corte e se ele é maior ou não ao da abertura da gaiola. A seguir é apresentada uma tabela, com os comprimentos de onda de corte, para diferentes frequência de rádio FM.
	Frequência (Mhz)
	λcorte (cm) 
	92,5
	32,4
	97,3 
	30,8
	101,7
	29,5
	100,7
	29,7
	
Na experiência feita, podemos verificar, que o rádio, na frequência de 97,3 do qual possui um λcorte de aproximadamente 30,8cm, por exemplo, continua funcionando mesmo para uma abertura de apenas 4 cm. Como isso é possível?
A penetração da onda eletromagnética na Gaiola de Faraday, depende ainda da condutividade do material do qual esta sendo analisado, que em nosso caso é o alumínio. Quanto menos ferromagnético for este material, maior será a penetração da onda eletromagnética na Gaiola, evidenciando que não apenas a abertura, mas o material também é importante na eficiência da blindagem.
Este efeito de penetração da onda no material é denominado SKIN DEPHT, o qual se refere à distância de penetração característica da radiação no material, que é dada por:
δ =
σ = condutividade do material
μ = permeabilidade
f = freqüência
Baseando se nesta constatação de que o rádio funcionou, 
podemos verificar que a profundidade de penetração da onda nos materiais depende da condutividade elétrica do mesmos e da freqüências das ondas eletromagnéticas, ou seja, quanto maior a condutividade e maior a freqüência menor será a penetração.(Instituto de Física Gleb Wataghin – UNICAMP, Estudo da Gaiola de Faraday como Blindagem para Ondas Eletromagnéticas)
Referências
[1] http://www.feiradeciencia.com.br
[2] PROJETO DE INSTRUMENTAÇÃO PARA ENSINO – F 809,Instituto de Física Gleb Wataghin – UNICAMP; Estudo da Gaiola de Faraday como Blindagem para Ondas Eletromagnéticas.
[3]http://www.educacional.com.br/upload/blogSite/3320/3320704/campo%20el%C3%A9trico.gif