Gabbia di Faraday per uso scolastico, immagine dal Lab2go, Liceo T. Tasso, Roma

Con gabbia di Faraday si intende qualunque sistema costituito da un contenitore chiuso in materiale elettricamente conduttore (detto conduttore cavo) in grado d'isolare l'ambiente interno da un qualunque campo elettrostatico presente al suo esterno, per quanto intenso questo possa essere.

È utilizzato il termine “gabbia” per sottolineare che il sistema può essere costituito, oltre che da un foglio metallico continuo, anche da una rete o una serie di barre opportunamente distanziate. È da osservare tuttavia che il corpo esterno non sarà altrettanto isolato come quello interno, poiché, la gabbia, essendo portatrice di una carica elettrostatica, una volta raggiunto un elevato potenziale elettrico cercherà di scaricare l'eccessivo potenziale su corpi vicini esternamente.

Nel 1836, Michael Faraday osservò che in un conduttore cavo, elettricamente carico, le cariche si concentrano sulla superficie esterna e non hanno alcuna influenza su ciò che si trova all'interno. Per dimostrarlo costruì una stanza rivestita da un foglio metallico e applicò dall'esterno l'alta tensione prodotta da un generatore elettrostatico. Utilizzando un elettroscopio (un apparecchio che permette di stabilire se un corpo è carico elettricamente) mostrò che all'interno della stanza non era presente carica elettrica.

Una gabbia di Faraday in funzione. Immagine da Sport-education

Il funzionamento della gabbia di Faraday è da ricondurre al teorema di Gauss (detto anche legge di Gauss), che permette di descrivere la distribuzione di carica elettrica in un conduttore.

Questo teorema afferma che i campi vettoriali radiali (come ad esempio il campo elettrico) dipendenti dal reciproco del quadrato della distanza dall'origine hanno un flusso attraverso una qualunque superficie chiusa che dipende solo dalla carica in essa contenuta ed è indipendente dalla posizione interna delle cariche che lo generano.

L'enunciato ha due espressioni, una integrale e una differenziale.

Intuitivamente, poiché le cariche di segno uguale si respingono, esse tendono a portarsi alla massima distanza reciproca, che corrisponde alla situazione in cui esse sono concentrate alla periferia del conduttore. Se la superficie è approssimabile a un conduttore ideale (quale una superficie metallica chiusa), su di essa si determina una superficie equipotenziale, ovvero una superficie in cui il potenziale elettrico è identico in ogni punto, e il campo elettrico all'interno è nullo.

Immagine da Lospettacolodeifulmini

La gabbia di Faraday è meglio comprensibile come approssimazione di un conduttore cavo ideale. Campi elettrostatici applicati esternamente o internamente producono forze sui portatori di carica (in genere elettroni) all'interno del conduttore, e le cariche vengono ridistribuite di conseguenza (e così si generano correnti elettriche di breve durata). Dopo che le cariche si sono ricollocate in modo da annullare il campo elettrico all'interno, le correnti cessano. Se una carica viene posta all'interno di una gabbia di Faraday senza messa a terra, la faccia interna della gabbia diventa carica di segno opposto per induzione (allo stesso modo accade sulla faccia esterna per una carica esterna) per impedire l'esistenza di un campo all'interno del corpo della gabbia. E dunque sulla faccia esterna della gabbia appare una carica uguale in segno e grandezza a quella posizionata all'interno della gabbia. Poiché la carica interna e la faccia interna si annullano a vicenda, la diffusione di cariche sulla faccia esterna non è influenzata dalla posizione della carica interna alla cavità della gabbia. Così la gabbia genera lo stesso campo elettrico che genererebbe se fosse semplicemente influenzata dalla carica posta all'interno.

Se la gabbia è collegata a terra, le cariche in eccesso andranno a terra invece che sulla faccia esterna, per cui la faccia interna e la carica interiore si annullano a vicenda e il resto della gabbia manterrà una carica neutra e ciò costituisce un efficace dispositivo di sicurezza. Lo stesso accade se la carica in eccesso va a collocarsi sulla superficie esterna. Il collegamento a terra isola la gabbia dall'esterno, per campi elettrostatici. Il modello precedentemente descritto si applica dunque a campi elettrostatici. Quando la gabbia è attraversata da corrente elettrica, non si è più in condizioni di elettrostaticità e nel metallo sussiste una differenza di potenziale non nulla che permette la corrente stessa; in tali condizioni, vale la legge di Ohm e parte della corrente potrebbe attraversare un corpo posto al suo interno; questo rende la gabbia di Faraday uno strumento di protezione con i suoi limiti.

Un argomento molto interessante è il comportamento della gabbia di Faraday, collegata a terra, investita da onde elettromagnetiche di varie frequenze. O quando dal suo interno si vuole trasmettere onde radio verso l'esterno. In questi casi sono importanti le dimensioni delle maglie della rete di cui è costituita la gabbia e dello spessore dei conduttori. Si pensi ad esempio al comune forno a microonde progettato per schermare i 2,4 GHz del magnetron; in questo caso è sorprendente che se si pone uno smartphone (1800 - 2600 MHz il 4G; da 694 Mhz a 27,5 GHz il 5G) al suo interno (a forno spento ovviamente) e lo si chiama dall'esterno, esso squilla! Con un telefonino 4G collocato in una posizione dove il segnale ricevuto è alto, nessuna gabbia metallica è in grado di introdurre un valore d’attenuazione tale, da renderlo non funzionante. Il telefonino 4G si può isolarlo solo introducendolo in una scatola completamente metallica, totalmente chiusa senza la minima apertura oltre che avere le pareti spesse non meno di 3-4 mm.
Un altro uso, di tipo medicale, della gabbia di Faraday è nella risonanza magnetica. Essa serve a proteggere il macchinario da tutte le onde radio esterne evitando la produzione di artefatti sulle immagini diagnostiche.