Introduzione
È un segreto ben noto (c’è un ossimoro per te!) tra gli elettrochimici che una gabbia di Faraday viene utilizzata per ridurre il rumore. Mentre questo “segreto” è abbastanza noto nei circoli elettrochimici, si farebbe fatica a trovare buone informazioni riguardanti l’uso e la funzione delle gabbie di Faraday nei libri di testo di elettrochimica., Infatti, una rapida ispezione dei molti libri sui nostri scaffali qui a Gamry ha prodotto un risultato in Elettrochimica per chimici: “di solito richiede che le misurazioni siano fatte in una gabbia di Faraday (uno scudo contro il rumore elettronico).”
Quindi complimenti a Sawyer, Sobkowaik e Roberts per l’unica menzione che abbiamo potuto trovare in una rapida ricerca. Hanno anche ottenuto l’uso corretto: riduzione del rumore, particolarmente importante negli esperimenti a bassa corrente (come la voltammetria a microelettrodi)., Naturalmente, non si parla di set-up, messa a terra o altre tecniche sperimentali che beneficiano dell’uso di un dispositivo così elegante, come EIS o misure di corrosione su materiali altamente resistenti. O davvero, anche quello che una gabbia di Faraday è in realtà.
Allora, chi era questo ragazzo Faraday?
Il grande sperimentatore Michael Faraday è certamente meglio conosciuto per il suo lavoro con il magnetismo e l’elettricità. Era un divulgatore della scienza, il Carl Sagan o Neil deGrasse Tyson del suo tempo, autore del popolare Un corso di sei lezioni sulla storia chimica di una candela., Molto più interessante, però, potrebbe essere che una volta rifiutò il cavalierato, due volte rifiutò la presidenza della Royal Society e rifiutò anche di essere sepolto nell’Abbazia di Westminster.
Faraday non era terribilmente bravo in matematica. La sua comprensione del fenomeno miriade ha studiato era più intuitivo in natura. Era un armeggiatore. Tra le tante cose che possiamo almeno in parte ringraziarlo per oggi ci sono l’energia elettrica (come generata dall’induzione elettromagnetica), il benzene (un utilissimo piccolo cancerogeno) e, naturalmente, la gabbia di Faraday.
Quando è stata inventata la gabbia di Faraday?,
Michael Faraday inventò la Gabbia di Faraday nel 1836.
Che cos’è una gabbia di Faraday?
Negli studi e negli esperimenti di Faraday riguardanti la carica, il magnetismo e la loro interazione, scoprì che la carica su un conduttore risiedeva solo sulla superficie esterna. Inoltre, scoprì che nulla all’interno di quel conduttore era influenzato da qualsiasi cambiamento nella carica elettrica all’esterno. Più tardi, la teoria dei campi era basata sul lavoro di Faraday, e credeva, contrariamente alla visione accettata all’epoca, che un campo elettrico si estendesse nello spazio oltre una carica.,
Avendo una comprensione un po ‘ migliore delle cose ora, sappiamo che la repulsione elettrostatica di cariche simili provoca una ridistribuzione della carica all’esterno di un conduttore con conseguente campo elettrostatico netto all’interno del conduttore di zero. “All’interno del conduttore”, qualsiasi spazio racchiuso da uno strato conduttore continuo.
Questo fenomeno produce un risultato abbastanza pulito: qualsiasi rumore con un componente elettronico che esiste al di fuori della gabbia viene completamente cancellato all’interno di quello spazio., Questo è lo stesso meccanismo che usiamo noi elettrochimici per giustificare il disprezzo dei campi elettrostatici in soluzioni elettrolitiche altamente conduttive. Questa è anche una strada a doppio senso: qualsiasi rumore creato all’interno della gabbia è impedito di fuggire verso il mondo esterno. Questo è ciò che ci tiene al sicuro vicino a un forno a microonde.
Ci sono tre piccole cose da tenere a mente. Il primo è che le interruzioni nella gabbia causano lacune che consentono la penetrazione da campi elettromagnetici esterni (EM)., Per una maglia o un foro praticato in una scatola solida, la penetrazione della radiazione EM è limitata alle oscillazioni che hanno lunghezze d’onda inferiori al doppio del diametro dell’apertura. Quindi un’apertura di 1 cm consente lunghezze d’onda di 2 cm e più corte, che corrispondono a un rumore di 150+ GHz.
Una seconda, e più rilevante preoccupazione, è una lunga, o addirittura completa rottura nella continuità del materiale conduttivo. L’accesso a una gabbia di Faraday tramite coperchio o porta crea la reale possibilità di una tale rottura nella continuità., Se un lato è discontinuo, anche se sta conducendo, la carica potrebbe non ridistribuirsi correttamente, l’effetto di annullamento non esisterà e un campo diverso da zero esisterà all’interno della gabbia. L’uso di un filo per collegare i bordi discontinui può aiutare con il lavoro a bassa frequenza, ma è spesso insufficiente per esperimenti che hanno frequenze e velocità operative più elevate.
Un’ultima preoccupazione è la conduttività della gabbia. Questo è raramente molto di un problema, ma come la dimensione della gabbia aumenta può diventare una preoccupazione più grande., Più resistivo è lo strato conduttore, più lenta è la ridistribuzione della carica, risultando in un campo non annullabile.
Quando usare una gabbia di Faraday?
Utilizzare una gabbia Faraday quando possibile, perché riduce sempre il rumore, in particolare il rumore della linea elettrica (rete) che è onnipresente-ogni laboratorio in ogni edificio in ogni paese con una rete elettrica CA. Alcuni esperimenti vedono un effetto più grande di altri, tuttavia. Questi sono esperimenti che si occupano di basse correnti o alte frequenze e esperimenti in cui sono richieste misurazioni molto precise (e accurate).,
Quasi tutti coloro che fanno elettrochimica fisica (CV, voltammetria a impulsi, crono, ecc.) rientra in quest’ultima categoria—e quando sono coinvolti piccoli elettrodi, allora entrambi. La corrosione non può spesso richiedere tanta precisione e accuratezza, ma le leghe resistenti alla corrosione possono facilmente portare a correnti misurate nella gamma nA (e al di sotto), dove è sicuramente necessaria una gabbia di Faraday. L’EIS comporta frequenze più elevate e quindi qualsiasi riduzione del rumore è benvenuta. La risposta sicura è usare una gabbia di Faraday ogni volta che è fisicamente possibile farlo., Se la corrente della cella non supera 1 µA, utilizzare una gabbia di Faraday.
In Figura 1, voltammogrammi ciclici presi su una cella fittizia resistore-condensatore sono mostrati dentro e fuori da una gabbia di Faraday. Mostrano che è possibile spostarsi in un ambiente schermato in modo tale da avere ancora rumore. Ciò significa che dobbiamo discutere come impostare e utilizzare correttamente una gabbia di Faraday.
Figura 1. Tre CV raccolti sulla stessa cella fittizia RC con gli stessi parametri (0-1 V a 0.,5 V/s con frequenza di acquisizione di 1 kHz) utilizzando un potenziostato G 750 della serie Gamry e un software del pannello frontale virtuale VFP600. (a) raccolti all’esterno di una gabbia di Faraday; (b) all’interno di una gabbia di Faraday che non era collegata al potenziostato; (c) in una gabbia di Faraday che era collegata al potenziostato (i valori correnti sono ~ 25 pA).
Una gabbia di Faraday deve essere messa a terra?
In poche parole: sì. Tutte le misure elettrochimiche sono riferite ad un certo potenziale di terra nel potenziostato., Per questo motivo, l’uso efficace di una gabbia di Faraday per la sperimentazione elettrochimica deve includere una messa a terra adeguata. Mentre il problema di messa a terra può diventare molto complicato, il ragionamento di base è abbastanza semplice. L’intera gabbia di Faraday (compreso l’interno) è a potenziale costante, e—se non collegata—questo potenziale può essere molto diverso dal riferimento di terra del potenziostato. Cioè: possono esistere grandi tensioni AC tra l’interno della gabbia e il riferimento di terra.,
Questa differenza di tensione si accoppia capacitivamente negli elettrodi, rendendo il rumore presumibilmente schermato parte della misurazione. Per questo motivo, collegare sempre una gabbia di Faraday alla massa dello strumento. La grande maggioranza dovrebbe anche avere il loro potenziostato a terra. Con alcuni potenziostati questo è di default, ma per potenziostati progettati per funzionare con terra galleggiante, come tutti i modelli Gamry, questo viene fatto separatamente.
La messa a terra non è sempre una buona idea, tuttavia., Se si sta facendo un esperimento con un elettrodo a terra, una gabbia di Faraday può aiutare, ma non se è legata alla stessa terra-terra. Se si desidera utilizzare un elettrodo di messa a terra in una gabbia di Faraday, è necessario assicurarsi che la gabbia di Faraday e il riferimento di terra del potenziostato—mentre sono ancora collegati per i motivi menzionati prima—non siano collegati a terra in questo caso il potenziostato deve essere in grado di funzionare a terra flottante.
Quale gabbia Faraday usare?
Alla fine, una scatola di cartone avvolta in un foglio di alluminio darà la stessa riduzione del rumore di una scatola solida in oro 24 carati, a condizione che la continuità in ciascuna sia la stessa. Quindi, il foglio di alluminio funziona come una gabbia di Faraday? Sì. Naturalmente, il cartone non è probabilmente il materiale più robusto da usare, e l’oro massiccio sarebbe decisamente sciocco, ma si ottiene il punto.
Figura 2., Gamry VistaShield Faraday cage
Quindi, qual è il materiale migliore per una gabbia di Faraday?
La struttura in legno e la rete in rame o alluminio sono comuni per la gabbia Faraday costruita in casa. Scatole di metallo solido sono buone scelte, ma se non si acquista uno che è specificamente progettato per una buona schermatura elettronica, prestare molta attenzione ai bordi della porta e assicurarsi che ci sia un buon contatto elettrico tra i lati.
Attenzione per le gabbie di Faraday
Ci sono momenti in cui gli sperimentatori devono fare attenzione con le gabbie di Faraday., A volte, quando si lavora con piccoli segnali, si sviluppa una notevole capacità vagante tra la cella elettrochimica all’interno della gabbia e il muro della gabbia di Faraday. Qui di seguito potete vedere le discontinuità da capacità vagante su un segnale EIS molto piccolo all’interno di una gabbia di Faraday:
Figura 3. EIS con discontinuità causate da capacità vaganti dalla gabbia di Faraday.
Questo fenomeno è talvolta osservato con grandi campioni piatti paralleli al pavimento della gabbia di Faraday., Questo effetto appare anche occasionalmente utilizzando la nostra cella di calibrazione all’interno dello scudo di calibrazione!
Per ridurre al minimo la capacità vagante tra il campione e la gabbia di Faraday, spostare il campione dalle pareti verso il centro della gabbia. Sostenere il campione dal pavimento della gabbia utilizzando un oggetto non conduttivo (ad esempio, blocco di legno, libro di testo).
Sommario
Utilizzare una gabbia di Faraday ogni volta che l’esperimento lo consente, in particolare quando si misurano correnti inferiori a ~1 µA o impedenze superiori a ~105 Ω., Assicurarsi che sia collegato correttamente: per Gamry gli utenti che significa collegare il galleggiante-cavo di massa per la gabbia di Faraday, e, quindi, terra-terra il potentiostat via il capocorda di messa a terra, se si utilizza una serie di Riferimento o collegamento breve e terra-terra, portare a galleggiante, cavo di massa per una Serie G.
Quando la costruzione o l’acquisto di una gabbia di Faraday, assicurarsi che si sarà in grado di ospitare gli esperimenti si esegue e che hai lo spazio per farlo. Non dimenticare di cavo-strain relief(ring-stand bar o tie-off all’interno della gabbia) e l’accesso per il gas e l’acqua, così come il cavo delle cellule (s)., Se pensi di voler usare un agitatore magnetico, evita le gabbie di Faraday realizzate con materiali magnetici. Pensiamo che sia bello essere in grado di controllare le connessioni e vedere cosa sta succedendo all’interno senza rompere la schermatura, quindi abbiamo una grande finestra di vetro con un rivestimento conduttore sulla nostra gabbia VistaShield Faraday.
Felice di sperimentare!
D. T. Sawyer, A. Sobkowiak, e J. L. Roberts, Elettrochimica per chimici, 2 ° Ed., John Wiley & Sons, 1995, p. 79.
