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Experimento: La Jaula de Faraday - Backyard Brains
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Experimento: La Jaula de Faraday

Revisión a fecha de 00:26 26 jun 2012; Timothy (Discusión | contribuciones)
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Incluso los mejores amplificadores del mundo (el nuestro no lo es) pueden ser susceptibles a interferencias electromagnéticas. Tienes tu maravilloso experimento diseñado, tu preparación lista y el electrodo en su lugar, pero… ¡DEMONIOS! ¿De edonde viene ese ruido infernal que está ahogando tus espigas? Dale gracias a Nikola Tesla por el ruido eléctrico, pero no tengas miedo, Michael Faraday viene al rescate!

Antecedentes

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(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.

Exp11Fig1 faradaycageenvironment.jpg

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:

Eq1 ColumbLaw.jpg

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.

Fig2 Sketch FaradayCage Fields.jpg

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 que estás estudiando hoy.

Exp11 bucket.jpg

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:

Eq2 frequency equation.jpg

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/sec) / (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 0,014 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.


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. Aquí hay un video que explica de una manera muy sencilla la construcción y utilización de una jaula de Faraday.

Procedimiento

Para este experimento necesitas:

  1. Malla/pantalla metálica
  2. Listones de madera (tilo de 3/16 por 1/4 pulgadas es una buena opción)
  3. Cable de pinzas de cocodrilo
  4. Engrapadora y grapas
  5. Tijeras de trabajo pesado
  6. Sierra y guía
  7. Regla
  8. SpikerBox con una pata de cucaracha
  9. Fuentes de energía “ruidosas” ... un computador conectado a un enchufe, lámparas fluorescentes, etc.

Construcción de la jaula de Faraday'

Ten presente que también vendemos jaulas de Faraday pre-fabricadaspor si no tienes ganas de ir a la ferretería.

  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
  6. Engrapa el primer listón al final de la malla, a lo largo de ésta
  7. Engrapa el segundo listón a 5,5 pulgadas de la primera tira, de nuevo en el sentido longitudinal de la malla
  8. Engrapa el tercer listón a 2,5 pulgadas de la segunda
  9. Engrapa el tercer listón a 5,5 pulgadas de la tercera
  10. Engrapa el quinto listón en el otro extremo de la malla
  11. Los listones de madera son abrazaderas, así que después de engraparlas, dobla la malla en cada tira para formar una caja rectangular


Usando la Jaula de Faraday para ver espigas

  1. Prepara una pata de cucaracha para hacer registros como se describe en el Experimento 1
  2. Crea un ambiente ruidoso, conectando Conecta un computador portátil a la toma de corriente, encendiendo un cautín u otro aparato de alta potencia. Coloca tu SpikerBox cerca de estos aparatos electrónicos, y enciende además todas las luces fluorescentes de la sala. Anota tus observaciones sobre el nivel de ruido vs el nivel de la señal neuronal.
  3. Conecta una pinza de cocodrilo a la tierra en el SpikerBox.
  4. Coloca el Spikerbox en tu jaula de Faraday, con la jaula abierta. Anota tus observaciones sobre el nivel de ruido vs el nivel de la señal neuronal.
  5. Cierra la jaula de Faraday, pero no conectes la pinza cocodrilo a nada. Anota tus observaciones sobre el nivel de ruido vs el nivel de la señal neuronal
  6. Conecta la pinza de cocodrilo a la malla de la jaula. Anota tus observaciones sobre el nivel de ruido vs el nivel de la señal neuronal

Uso de la jaula de Faraday en teléfonos celulares

Los microondas son ejemplos de jaulas de Faraday, ya que están diseñados par a 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. (solo pregúntale al neurocientífico de tu barrio).

  1. Llame a tu teléfono celular y asegúrate que suene (este es tu control).
  2. Luego, toma tu teléfono celular y ponlo en un horno de microondas (¡apagado!).
  3. Llame al teléfono celular desde otro teléfono. ¿Suena?
  4. 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- ¿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?

2 - ¿Cuál sería el lugar perfecto para hacer una grabación?

3 - - ¿Qué crees que pasaría si utilizaras un alambrado con mayores espacios en vez de la malla metálica más fina?

4 - ¿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 calculado?

Extra (enviado por un usuario)

También puedes usar una caja metálica vieja, después de comerte todas las galletas que traía. En vez de usar un cable de pinzas de cocodrilo para conectar la referencia a la jaula de Faraday, puedes hacer que tu cable-sonda consista de tres cables. Dos electrodos comunes (electrodo de referencia + electrodo de registro) + un referencia adicional con pinza que se conecta a la caja metálica (sin galletas).

User Faraday.jpg