EE 1: Jaulas de Faraday

EE 1: Jaulas de Faraday
RESUMEN
En este laboratorio, podrás:
1. Aprender acerca de las jaulas de Faraday, y por qué funcionan.
2. Considerar cómo la jaula de Faraday se puede utilizar de forma práctica para mejorar los
experimentos de registro neuronal.
3. Observar los pasos para la construcción de una jaula de Faraday, y hacer una prueba de esta jaula en
un ambiente ruidoso.
OBJETIVOS
Antes de realizar este práctico debieras:
 revisar los parámetros de los experimentos de grabación neural (es decir, el tipo de señal grabada, el
tamaño de la señal, la forma en que dicha señal se amplifica, etc.);
 aprender acerca de las cargas y los campos eléctricos, y las leyes que rigen sus interacciones.
Después de hacer esta práctica de laboratorio debieras ser capaz de:
 explicar por qué una jaula de Faraday puede ser importante para conseguir buenos registros
neuronales;
 describir cómo una jaula de Faraday impide que una señal electromagnética cruce su superficie;
 diseñar y construir una jaula de Faraday para tu uso experimental propio.
MATERIALES
 Malla/pantalla metálica
 Listones de madera (tilo de 3/16 por 1/4 pulgadas es una buena opción)
 Cable de pinzas de cocodrilo
 Engrapadora
 Tijeras de trabajo pesado
 Sierra caladora
 Regla
 SpikerBox con una pata de cucaracha
 Fuentes de energía “ruidosas”...un computador conectado a un enchufe, lámparas fluorescentes,
etc.
INTRODUCCIÓN
Una jaula de Faraday es un recipiente hecho de material conductor, como por ejemplo una malla de
alambre o planchas de metal, que protege lo que encierra de campos eléctricos externos. En nuestros
experimentos, una jaula de Faraday se puede utilizar para evitar la interferencia electromagnética
externa (IEM, o ruido) que interfiere con nuestras grabaciones neuronales. Como ya sabes, las señales
neuronales que registramos son muy pequeñas (del orden de micro-voltios), así que usamos nuestros
Spikerbox para amplificar estas pequeñas señales a una amplitud lo suficientemente grande par a que
podamos escucharlas y registrarlas. Sin embargo, dependiendo de nuestro ambiente pueden existir
emisiones electromagnéticas, de radio, microondas, u otros tipos de emisiones invisibles que pueden
viajar a través del aire e interactuar con las agujas de metal y el cable que utilizamos como electrodos. El
metal luego propaga la señal de ruido como una antena a nuestras grabaciones neuronales, lo que
interfiere o incluso ahoga nuestras grabaciones, causando que en el peor de los casos, lo único que
escuchemos sea ¡una estación de radio! Una jaula de Faraday se puede utilizar para bloquear muchas de
estas fuentes de ruido.
Figura 1: Jaula de Faraday protegiendo un SpikerBox de varias señales de interferencia
electromagnetica (IEM) exteriores.
La jaula de Faraday lleva el nombre del científico del 1800 Michael Faraday, pero para entender cómo
funciona la jaula nos remitiremos a otro famoso científico, Charles-Augustin de Coulomb. Coulomb
trabajó mucho en la dinámica de partículas cargadas y los campos eléctricos que generan. Coulomb
determinó que el campo eléctrico, E, en un radio r de distancia de una carga estacionaria puntual, Q,
podría ser calculado por la siguiente ecuación:
,
Donde ε0 es la permitividad del espacio libre y er es el vector unitario radial.
Si no entiendes esta matemática (algún día la entenderás), básicamente significa que la intensidad del
campo eléctrico disminuye cuanto más lejos estés de una fuente eléctrica. Si estás manejando por la
carretera y notas por ejemplo como una estación de radio se “desvanece” (deja de sonar), es porque te
estás alejando de la torre de transmisión.
El mensaje es que esta ley sienta las bases para una relación matemática que relaciona la carga y el
campo eléctrico dentro de un volumen fijo de espacio. Una jaula de Faraday encierra un volumen fijo de
espacio, y, si la jaula está hecha de material conductor, la característica clave de este de esta jaula es
que evita que cargas externas induzcan campos eléctricos dentro de ese volumen. Aquí están dos de las
principales reglas que rigen este efecto de barrera:
1. La Ley de Coulomb exige que las cargas en un conductor en equilibrio estén lo más separadas
posible, y por lo tanto la carga eléctrica neta de un conductor reside enteramente en su
superficie.
2. Cualquier campo eléctrico neto dentro del conductor causaría un movimiento de carga, ya que
ésta es abundante y móvil, pero el equilibrio exige que la fuerza neta en el conductor sea igual a
cero. Así, el campo eléctrico dentro del conductor es cero.
La regla 2 nos dice que el campo eléctrico dentro del conductor en equilibrio es cero, la regla 1 nos dice
que la carga del conductor se encuentra por completo en la superficie (frontera). En otras palabras, la
superficie del volumen conductor se convierte en una barrera donde las cargas se mueven hacia y
alrededor de la superficie para generar campos exactamente opuestos a cualquier carga que busca
cruzar la frontera, manteniendo así un interior libre de interferencia eléctrica externa.
Figura 2: (izquierda) Una superficie conductor en el equilibrio fuera de un campo electric, con
cargas positivas y negativas distribuidas en forma pareja. (Derecha) la misma superficie en un
campo magético, con cargas negativas concentradas a la izquierda para crear una barrera
negative y bloquear la entrada del campo magnético a la supeerficie.
Faraday demostró por primera vez esto en un famoso experimento usando un balde para hielo y una
esfera de metal. Faraday hizo descender una bola metálica cargada con electricidad estática a un balde
metálico sobre una silla de madera que aislaba el balde del suelo. Cuando la bola cargada bajó y entró al
balde sin tocarlo, las cargas sobre la superficie del balde se redistribuyeron a través de inducción
electrostática. Este concepto se conoce como el principio de la jaula de Faraday.
Los agujeros en una jaula de Faraday
Muchas jaulas de Faraday, incluyendo la que estás construyendo y vas a usar, tienen agujeros con fines
prácticos (para ver al interior de la jaula). Jaulas hechas de esta manera con material de malla aún tienen
superficies conductoras que generan las barreras necesarias para campos eléctricos, pero hay tipos de
ondas electromagnéticas, como las de radio o microondas que en teoría podrían entrar por los agujeros.
Para evitar esto, la jaula tiene que ser construida con orificios más pequeños que la longitud de onda de
estas emisiones. La frecuencia se relaciona con longitud de onda por la siguiente ecuación:
Donde f = frecuencia en Hz, c es la velocidad de la luz, y λ representa la longitud de onda en metros. Una
regla de uso frecuente para jaulas de Faraday para prevenir esta transmisión es que los agujeros deben
ser no mayores a 1/10 de la longitud de onda de la señal. Entonces, para un teléfono celular 3G que
funciona a una frecuencia de 2.1 GHz (2.1 * 109 Hz), la longitud de onda = (3 * 108 m/seg) / (2.1 * 109 Hz)
= 0,14 metros. Por lo tanto, para que una jaula de Faraday pueda evitar que este ruido ingrese, los
agujeros en la jaula deben más pequeños que .014 metros (o 1,4 cm).
El uso de múltiples capas de malla superponiéndolas de tal manera que los agujeros de un nivel están
bloqueados la malla de otro nivel, es otra manera eficaz de construir una barrera para el ruido de IEM.
Conectando una jaula de Faraday a tierra
Toda la teoría anterior nos dice que una superficie conductora en equilibrio funcionaría para evitar que
campos eléctricos ingresen al volumen encerrado, lo que nos permitiría evitar que los campos externos
induzcan corrientes en este volumen, que podrían aparecer como ruido eléctrico en una grabación. Sin
embargo, debe señalarse que cuando las señales externas llegan a la jaula de Faraday, hay un período
de tiempo transitorio cuando las cargas superficiales se están realineando, durante el cual se pueden
formar corrientes de Eddy (o Foucault) en la superficie. Estas corrientes de Eddy son inducidas en un
conductor en respuesta a un cambio en un campo electromagnético. Las corrientes de Eddy tienen
inductancia, y por lo tanto inducen campos electromagnéticos propios en cualquier lado de la superficie
conductora. Entonces, si la IEM es de una frecuencia e intensidad suficientemente alta, estas corrientes
de eddy pueden producir cambios de campo en el interior de la jaula, que aparecen en nuestros
experimentos como ruido.
Una forma de mejorar la capacidad que tiene la jaula de Faraday de funcionar como una barrera frente a
IEM, es conectar la jaula de Faraday a tierra. El mecanismo por el cual esto funciona no está del todo
claro, y la evidencia experimental ha demostrado que la mejor opción para conectar una jaula de
Faraday a tierra (por ejemplo, una toma de corriente, a la tierra interna del dispositivo de grabación, el
propio animal, etc) varía de un experimento a otro. Nuestra mejor estimación es que cuando la
superficie conductora de la jaula está conectada eléctricamente a una fuente de tierra, toda la superficie
se mantiene ligada al mismo potencial. Así, sin los medios para inducir una diferencia de potencial en la
superficie, las IEM externas ya no puede inducir estas corrientes de Eddy transientes.
Ahora examinaremos los efectos de la jaula de Faraday en varias condiciones al hacer registros
neuronales con el SpikerBox, junto con un sencillo experimento que puedes hacer en tu casa.
PROCEDIMIENTO
Ejercicio 1: Construir una jaula de Faraday (video)
1. Mide un rectángulo de malla metálica de 8 x 16 pulgadas
2. Corta el rectángulo con unas tijeras de trabajo pesado
3. Mide cinco listones de madera de ocho pulgadas de longitud
4. Extiende el rectángulo de malla metálica cuidadosamente, para que quede plano
5. Engrapa los listones de madera a la malla metálica con una grapadora y grapas industriales
ligeras
a. Engrapa el primer listón al final de la malla, a lo largo de ésta.
b. Engrapa el segundo listón a 5,5 pulgadas de la primera tira, de nuevo en el sentido
longitudinal de la malla
c. Engrapa el tercer listón a 2,5 pulgadas de la segunda
d. Engrapa el tercer listón a 5,5 pulgadas de la tercera
e. Engrapa el quinto listón en el otro extremo de la malla
6. Los listones de madera son abrazaderas, así que después de engraparlas, dobla la malla
en cada tira para formar una caja rectangular
Ejercicio 2: Probar la capacidad de la jaula de Faraday para prevenir el ruido (video)
1. Prepara una pata de cucaracha par hacer registros como se describe en el Experimento 1
2. Crea un ambiente ruidoso
a. Conecta un computador portátil a la toma de corriente (60 Hz de ruido eléctrico)
b. . Enciende un cautín u otro aparato de alta potencia.
c. Enciende una luz fluorescente
3. Enciende el Spikerbox en este entorno ruidoso
a. Anota observaciones de nivel de ruido vs nivel de la señal neuronal
4. Coloca una pinza de cocodrilo en la tierra del Spikerbox
5. Coloca el Spikerbox en tu jaula de Faraday, con la jaula abierta
a. Anota observaciones de nivel de ruido vs nivel de la señal neuronal
6. Cierra la jaula de Faraday, pero no conectes la pinza cocodrilo a nada
a. Anota observaciones de nivel de ruido vs nivel de la señal neuronal
7. Conecta la pinza de cocodrilo a la malla de la jaula
a. Anota observaciones de nivel de ruido vs nivel de la señal neuronal
Ejercicio 3: Prueba de la capacidad de la jaula de Faraday para evitar actividad del
teléfono celular
Los microondas son ejemplos de jaulas de Faraday, ya que están diseñados para impedir que
la radiación utilizada para cocinar el alimento se escape hacia afuera. El papel de aluminio es
un material conductor, que también puede utilizarse para crear una jaula de Faraday.
1.
2.
3.
4.
Llama a tu teléfono celular y asegúrate que suene (este es tu control).
Luego, toma tu teléfono celular y ponlo en un horno de microondas (¡apagado!).
Llame al teléfono celular desde otro teléfono. ¿Suena?
A continuación, abre la puerta del microondas y marca el número de teléfono de tu casa en
tu celular. Tan pronto como pongas “llamar”, cierra la puerta del microondas rápidamente.
¿Suena el teléfono de tu casa?
5. Por último, envuelve el teléfono celular en papel de aluminio. Llame al teléfono celular
nuevo ¿suena?
PREGUNTAS DE DISCUSIÓN
1. ¿Cuáles son algunas fuentes comunes de "ruido" que podrían interferir con un experimento
de registro? ¿Cómo podría ese ruido entrar en la grabación? ¿Cómo podrías mantener el
ruido afuera? ¿Cuál sería el lugar perfecto para hacer una grabación?
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2. Si una jaula de Faraday no está conectada a una toma de tierra externa, ¿puede funcionar?
¿Por qué funciona mejor cuando está conectada a tierra?
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3. ¿Qué crees que una jaula de Faraday le haría a una señal electromagnética que viene
desde dentro de la jaula? ¿Podría alguien, afuera de la jaula de Faraday, recibir la señal?
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4. ¿Qué crees que pasaría si utilizaras un alambrado con mayores espacios en vez de la
malla metálica más fina?
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5. ¿Por qué crees que los mensajes de texto de del celular son capaces de interferir con el
SpikerBox a pesar de que los agujeros en la jaula de Faraday son más pequeños que los
1,4 cm calculados?
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