Introducción
es un secreto bien conocido (¡hay un oxímoron para ti!) entre los electroquímicos que una jaula de Faraday se utiliza para reducir el ruido. Si bien este «secreto» es bastante conocido en los círculos de Electroquímica, sería difícil encontrar buena información sobre el uso y la función de las jaulas de Faraday en los libros de texto de Electroquímica., De hecho, una inspección superficial de los muchos libros en nuestras estanterías aquí en Gamry produjo un resultado en electroquímica para los químicos: «generalmente requiere que las mediciones se hagan en una jaula de Faraday (un escudo contra el ruido electrónico).»
así que felicitaciones a Sawyer, Sobkowaik y Roberts por la única mención que pudimos encontrar en una búsqueda rápida. También obtuvieron el uso correcto: reducción de ruido, particularmente importante en experimentos de baja corriente (como la voltamperometría de microelectrodos)., Por supuesto, no se menciona la instalación, puesta a tierra u otras técnicas experimentales que se benefician del uso de un dispositivo tan ingenioso, como EIS o mediciones de corrosión en materiales altamente resistentes. O incluso lo que es una jaula de Faraday.
¿quién era este Faraday?
el gran experimentalista Michael Faraday es sin duda mejor conocido por su trabajo con el magnetismo y la electricidad. Fue un popularizador de la ciencia, El Carl Sagan O Neil deGrasse Tyson de su época, autor del popular curso a de seis Conferencias sobre la historia química de una vela., Mucho más interesante, sin embargo, puede ser que una vez rechazó el título de caballero, dos veces rechazó la presidencia de la Royal Society, y también se negó a ser enterrado en la Abadía de Westminster.
Faraday no era muy bueno en matemáticas. Su comprensión de la miríada de fenómenos que estudió era de naturaleza más intuitiva. Era un chapucero. Entre las muchas cosas que podemos al menos en parte agradecerle hoy son la energía eléctrica (generada por inducción electromagnética), el benceno (un pequeño carcinógeno muy útil) y, naturalmente, la jaula de Faraday.
¿cuándo se inventó la jaula de Faraday?,
Michael Faraday inventó la jaula de Faraday en 1836.
¿qué es una jaula de Faraday?
en los estudios y experimentos de Faraday con respecto a la carga, el magnetismo y su interacción, encontró que la carga en un conductor solo residía en la superficie exterior. Además, descubrió que nada dentro de ese conductor se vio afectado por cualquier cambio en la carga eléctrica en el exterior. Más tarde, la teoría de campos se basó en el trabajo de Faraday, y él creía, contrariamente a la opinión aceptada en el momento, que un campo eléctrico se extendía en el espacio más allá de una carga.,
teniendo algo mejor comprensión de las cosas Ahora, sabemos que la repulsión electrostática de cargas similares causa una redistribución de la carga hacia el exterior de un conductor que resulta en un campo electrostático neto dentro del conductor de cero. «Dentro del conductor» significa cualquier espacio encerrado por una capa conductora continua.
este fenómeno produce un resultado bastante limpio: cualquier ruido con un componente electrónico que existe fuera de la jaula se cancela completamente dentro de ese espacio., Este es el mismo mecanismo que los electroquímicos usamos para justificar el no tener en cuenta los campos electrostáticos en soluciones de electrolitos altamente conductivos. Esta es también una calle de doble sentido: cualquier ruido creado dentro de la jaula se evita que se escape al mundo exterior. Esto es lo que nos mantiene a salvo cerca de un horno microondas.
Hay tres pequeñas cosas a tener en cuenta. La primera es que las roturas en la jaula causan huecos que permiten la penetración de campos electromagnéticos externos (EM)., Para una malla, o un agujero perforado en una caja sólida, la penetración de la radiación EM se limita a oscilaciones que tienen longitudes de onda más cortas que el doble del diámetro de la abertura. Por lo tanto, una abertura de 1 cm permite longitudes de onda de 2 cm y más cortas, que corresponden al ruido de 150+ GHz.
una segunda preocupación, y más relevante, es una interrupción larga o incluso completa en la continuidad del material conductor. El acceso a una jaula de Faraday a través de la tapa o la puerta crea la posibilidad real de tal ruptura en la continuidad., Si un lado es discontinuo, incluso si está conduciendo, entonces la carga puede no redistribuir correctamente, el efecto de cancelación no existirá, y un campo distinto de cero existirá dentro de la jaula. El uso de un cable para conectar bordes discontinuos puede ayudar con el trabajo de baja frecuencia, pero a menudo es insuficiente para experimentos que tienen frecuencias y velocidades de funcionamiento más altas.
una preocupación final es la conductividad de la jaula. Esto rara vez es un gran problema, pero a medida que aumenta el tamaño de la jaula puede convertirse en una preocupación mayor., Cuanto más resistiva sea la capa conductora, más lenta Se redistribuirá la carga, resultando en un campo que no se cancela.
¿cuándo usar una jaula de Faraday?
Use una jaula de Faraday siempre que sea posible, ya que siempre reduce el ruido, particularmente el ruido de la línea de alimentación (red eléctrica) que es omnipresente: cada laboratorio en cada edificio en cada país con una red eléctrica de CA. Sin embargo, algunos experimentos ven un efecto mayor que otros. Esos son experimentos que tratan con corrientes bajas o altas frecuencias, y experimentos donde se requieren mediciones muy precisas (y precisas).,
casi cualquier persona que haga electroquímica física (CV, voltamperometría de pulso, cronoamp, etc.) cae en la última categoría—y cuando los electrodos pequeños están involucrados, entonces ambos. La corrosión puede no requerir a menudo tanta precisión y exactitud, pero las aleaciones resistentes a la corrosión pueden conducir fácilmente a corrientes medidas en (y por debajo) el rango de nA, donde definitivamente se necesita una jaula de Faraday. EIS implica frecuencias más altas, por lo que cualquier reducción en el ruido es bienvenida. La respuesta segura es usar una jaula de Faraday siempre que sea físicamente posible hacerlo., Si su corriente celular no excede 1 µA, use una jaula de Faraday.
en la Figura 1, los voltammogramas cíclicos tomados en una celda ficticia de resistencia-condensador se muestran dentro y fuera de una jaula de Faraday. Muestran que es posible moverse en un entorno protegido de tal manera que todavía tenga ruido. Esto significa que tenemos que discutir cómo configurar y usar una jaula de Faraday correctamente.
la Figura 1. Tres CVs recogidos en la misma celda ficticia RC con los mismos parámetros (0-1 V A 0.,5 V / S con frecuencia de adquisición de 1 kHz) utilizando un potenciostato Gamry Serie G 750 y un software de Panel Frontal Virtual VFP600. (a) recolectado fuera de una jaula de Faraday; (B) dentro de una jaula de Faraday que no fue conectada a tierra al potenciostato; (c) En una jaula de Faraday que fue conectada a tierra al potenciostato (los valores actuales son ~ 25 pA).
¿una jaula de Faraday necesita estar conectada a tierra?
en pocas palabras: sí. Todas las mediciones electroquímicas se refieren a algún potencial de tierra en el potenciostato., Debido a eso, el uso efectivo de una jaula de Faraday para la experimentación electroquímica debe incluir una conexión a tierra adecuada. Si bien el problema de la conexión a tierra puede llegar a ser muy complicado, el razonamiento básico es bastante simple. El conjunto de la jaula de Faraday (incluyendo el interior) está en un potencial constante, y—si no está conectado—este potencial puede ser muy diferente de la referencia de tierra del potenciostato. Es decir: puede haber grandes tensiones de CA entre el interior de la jaula y la referencia del suelo.,
esta diferencia de voltaje se acopla capacitivamente en los electrodos, haciendo que el ruido supuestamente blindado forme parte de la medición. Por esta razón, siempre conecte una jaula de Faraday a la Tierra del instrumento. La gran mayoría también debe tener su potenciostato a tierra. Con algunos potenciostatos esto es por defecto, pero para potenciostatos diseñados para operar con suelo flotante, como todos los modelos Gamry, esto se hace por separado.
tierra-poner a tierra no siempre es una buena idea, sin embargo., Si está haciendo un experimento con un electrodo conectado a tierra, una jaula de Faraday puede ayudar, pero no si está atada a la misma tierra. Si desea utilizar un electrodo de conexión a tierra en una jaula de Faraday, debe asegurarse de que la jaula de Faraday y el potenciostato de referencia a tierra, mientras estén conectados por las razones mencionadas anteriormente, no estén conectados a tierra en este caso, su potenciostato debe ser capaz de operar en tierra flotante.
¿qué jaula de Faraday usar?
al final, una caja de cartón envuelta en papel de aluminio dará la misma reducción de ruido que una caja sólida de oro de 24 quilates, siempre que la continuidad a lo largo de cada una sea la misma. Entonces, ¿el papel de aluminio funciona como una jaula de Faraday? Sí. Por supuesto, el cartón probablemente no sea el material más resistente para usar, y el oro sólido sería francamente tonto, pero entiendes el punto.
la Figura 2., Jaula de Faraday vistashield de Gamry
entonces, ¿cuál es el mejor material para una jaula de Faraday?
el marco de madera y la malla de cobre o aluminio son comunes para la jaula de Faraday construida en casa. Las cajas de metal sólido son buenas opciones, pero si no está comprando una que esté específicamente diseñada para un buen blindaje electrónico, preste mucha atención a los bordes de las puertas y asegúrese de que haya un buen contacto eléctrico entre los lados.
precaución para las jaulas de Faraday
hay momentos en que los experimentadores tienen que tener cuidado con las jaulas de Faraday., A veces, cuando se trabaja con señales pequeñas, se desarrolla una capacitancia perdida notable entre la célula electroquímica dentro de la jaula y la pared de la jaula de Faraday. A continuación se pueden ver las discontinuidades de capacitancia perdida en una señal EIS muy pequeña dentro de una jaula de Faraday:
Figura 3. EIS con discontinuidades causadas por capacitancia perdida de la jaula de Faraday.
este fenómeno se observa a veces con muestras grandes y planas paralelas al piso de la jaula de Faraday., Este efecto incluso aparece de vez en cuando utilizando nuestra célula de calibración dentro del Escudo de calibración!
para minimizar la capacitancia perdida entre la muestra y la jaula de Faraday, mueva la muestra lejos de las paredes hacia el Centro de la jaula. Sostenga la muestra del piso de la jaula usando un objeto no conductor (por ejemplo, un bloque de madera, un libro de texto).
resumen
Use una jaula de Faraday siempre que su experimento lo permita, particularmente cuando mida corrientes por debajo de ~1 µA o impedancias por encima de ~105 Ω., Asegúrese de que esté conectado a tierra correctamente: para los usuarios de Gamry, eso significa conectar el cable de tierra flotante a la jaula de Faraday, y luego poner a tierra el potenciostato a través del terminal de tierra si usa una serie de referencia, o conectar el cable de tierra-tierra corto al cable de tierra flotante para una serie G.
al construir o comprar una jaula de Faraday, asegúrese de que se acomodará a los experimentos que ejecuta y que tiene el espacio para ello. No se olvide del alivio de tensión del cable(barra de soporte de anillo o amarres dentro de la jaula) y el acceso para gas y agua, así como el (los) cable (s) de la celda., Si cree que puede querer usar un agitador magnético, evite las jaulas de Faraday hechas con materiales magnéticos. Creemos que es bueno poder verificar las conexiones y ver lo que está sucediendo dentro sin romper el blindaje, por lo que tenemos una gran ventana de vidrio con un revestimiento conductor en nuestra jaula VistaShield Faraday.
¡feliz experimentación!
D. T. Sawyer, A. Sobkowiak, and J. L. Roberts, Electrochemistry for Chemists, 2nd Ed., John Wiley & Sons, 1995, p. 79.
