Sfondo

Una gabbia di Faraday è un contenitore realizzato in materiale conduttore, come rete metallica o piastre metalliche, che protegge ciò che racchiude da campi elettrici esterni. Nei nostri esperimenti, una gabbia di Faraday può essere utilizzata per impedire interferenze elettromagnetiche esterne (EMI, o rumore) di interferire con le nostre registrazioni neurali. Come sapete, i segnali neurali che stiamo registrando sono molto piccoli (nell’ordine dei micro-volt), e usiamo le nostre Spikerbox per amplificare questi piccoli segnali ad un’ampiezza abbastanza grande da poterli ascoltare e registrare., A seconda del nostro ambiente, però, ci possono essere elettromagnetici, radio, microonde, o altri tipi di emissioni invisibili che possono viaggiare attraverso l’aria e interagire con gli aghi metallici e filo che usiamo come elettrodi. Il metallo poi propaga il segnale di rumore come un’antenna nelle nostre registrazioni neurali, interferendo con o addirittura annegando le nostre registrazioni in modo che tutto ciò che sentiamo, nei casi peggiori, è una stazione radio! Una gabbia di Faraday può quindi essere utilizzata per bloccare molte di queste fonti di rumore.,

La gabbia di Faraday prende il nome dallo scienziato del 1800 Michael Faraday, ma per imparare come funziona la gabbia iniziamo con un altro famoso scienziato, Charles-Augustin de Coulomb. Coulomb ha lavorato molto sulla dinamica delle particelle cariche e sui campi elettrici che generano. Coulomb ha determinato che il campo elettrico,” E”, ad un raggio” r “lontano da una carica stazionaria,” Q”, potrebbe essere calcolato da questa equazione:

Dove ε0 è la permittività dello spazio libero ed er è il vettore unità radiale., Se non capisci la matematica (lo farai un giorno), significa che l’intensità del campo elettrico diminuisce più lontano sei da una fonte elettrica. Se stai guidando su un’autostrada e noti una stazione radio che svanisce, ad esempio, è perché ti stai allontanando dalla grande torre del trasmettitore radio.

Il take-home è che questa legge ci dà le basi per una relazione matematica che mette in relazione carica e campi elettrici all’interno di un volume fisso di spazio., Una gabbia di Faraday racchiude un tale volume fisso di spazio e, se la gabbia è fatta di materiale conduttivo, la caratteristica distintiva della gabbia è che impedisce alle cariche esterne di indurre campi elettrici all’interno di quel volume. Ecco due delle regole principali che governano questo effetto barriera:

  1. La Legge di Coulomb richiede che le cariche in un conduttore all’equilibrio siano il più distanti possibile, e quindi la carica elettrica netta di un conduttore risiede interamente sulla sua superficie.,
  2. Qualsiasi campo elettrico netto all’interno del conduttore causerebbe lo spostamento della carica poiché è abbondante e mobile, ma l’equilibrio richiede che la forza netta all’interno del conduttore sia uguale a zero. Pertanto, il campo elettrico all’interno del conduttore è zero.

La regola 2 ci dice che il campo elettrico all’interno del conduttore all’equilibrio è zero, e la regola 1 ci dice che la carica del conduttore si troverà interamente sulla superficie (confine)., In altre parole, la superficie del volume conduttore diventa una barriera in cui le cariche si muovono verso e intorno alla superficie per generare campi esattamente opposti a qualsiasi carica che cerca di attraversare il confine, mantenendo così un interno privo di interferenze elettriche esterne.

Faraday lo ha dimostrato per la prima volta in un famoso esperimento di secchiello per il ghiaccio e sfera metallica. Faraday abbassò una sfera di metallo carica di elettricità statica in un secchio di metallo sostenuto da una sedia di legno che isolava il secchio da terra., Quando la palla caricata è stata abbassata nel secchio senza toccare il secchio, le cariche sulla superficie del secchio sono state ridistribuite attraverso l’induzione elettrostatica. Questo concetto divenne noto come il principio della gabbia di Faraday che stai studiando oggi.

Di seguito esamineremo gli effetti della gabbia di Faraday su varie condizioni quando si eseguono registrazioni neurali con la SpikerBox, insieme a un semplice esperimento che puoi fare a casa. Ecco un video che spiega un modo molto semplice per costruire e utilizzare una gabbia di Faraday.,

Video

Procedura

Costruzione della gabbia Faraday

Si noti che vendiamo anche gabbie Faraday pre-fatte se non si desidera visitare il negozio di ferramenta.

  1. Misurare un rettangolo di 8 x 16 pollici della rete metallica dello schermo
  2. Tagliare il rettangolo con forbici pesanti
  3. Misurare e tagliare cinque lunghezze da 8 pollici di strisce di legno
  4. Srotolare con attenzione il rettangolo della rete metallica in modo che sia piatto
  5. Iniziare a pinzare la rete metallica attraverso strisce di legno
  7. Fiocco seconda striscia 5.,5 pollici di distanza dalla prima striscia, di nuovo lunghezza-saggio sulla maglia
  8. Fiocco terza striscia 2.5 pollici distante dalla seconda striscia
  9. Fiocco quarta striscia 5.,5 pollici distanti dal terzo strip
  10. Fiocco quinto striscia al fine di maglia
  11. I listelli di legno, graffe, così dopo la pinzatura al loro posto, piegare la maglia a strisce per formare una scatola rettangolare

Utilizzando la Gabbia di Faraday per i Picchi
  1. Set up standard scarafaggio gamba di registrazione, di preparazione come descritto nell’Esperimento 1
  2. Creare un ambiente rumoroso da collegare un portatile alla presa a muro e accendere una saldatura, di ferro o di altro apparecchio ad alto consumo. Posizionare il SpikerBox da questi elettronica, e anche accendere tutte le luci fluorescenti nella stanza., Registra le tue osservazioni sul livello di rumore rispetto al livello del segnale neurale.
  3. Agganciare un morsetto a coccodrillo a terra (al di fuori del connettore RCA) sulla Spikerbox.
  4. Metti la tua Spikerbox nella tua gabbia di Faraday, con la gabbia aperta. Registra le tue osservazioni sul livello di rumore rispetto al livello del segnale neurale.
  5. Chiudi la gabbia di Faraday ma non collegare il morsetto a coccodrillo a nulla. Registra le tue osservazioni sul livello di rumore rispetto al livello del segnale neurale
  6. Collega il cavo alligatore alla rete dello schermo della gabbia. Registra le tue osservazioni sul livello di rumore vs., livello del segnale neurale
Utilizzando la gabbia di Faraday sui telefoni cellulari

I forni a microonde sono esempi di gabbie di Faraday, perché hanno lo scopo di impedire alle radiazioni utilizzate per cucinare il cibo di fuoriuscire nell’ambiente. Il foglio di alluminio è un materiale conduttivo, che può anche essere utilizzato per creare una gabbia di Faraday rapida e improvvisata (basta chiedere al neuroscienziato del vicinato).

  1. Chiama il tuo cellulare e assicurati che squilli (questo è il tuo controllo).
  2. Quindi, prendere il telefono cellulare e metterlo in un (spento!) microonde.
  3. Chiamare il telefono cellulare da un altro telefono., Suona?
  4. Quindi, aprire la porta del microonde e comporre il numero di telefono di casa sul telefono cellulare. Non appena premi “invia”, chiudi rapidamente la porta del microonde. Il tuo telefono di casa squilla?
  5. Infine, avvolgere il telefono cellulare in un foglio di alluminio. Chiama di nuovo il cellulare? Suona?

Domande di discussione

  1. Cosa pensi che farebbe una gabbia di Faraday a un segnale elettromagnetico che proviene dall’interno della gabbia? Qualcuno al di fuori della gabbia di Faraday potrebbe ricevere quel segnale?
  2. Dove sarebbe il posto perfetto per fare una registrazione?,
  3. Cosa pensi che accadrebbe se usassi un filo di pollo a foro grande invece di una rete metallica a schermo piccolo per la tua gabbia di Faraday?
  4. Perché pensi che il rumore del cellulare interferisca ancora con la SpikerBox anche se i fori nella nostra gabbia di Faraday sono più piccoli degli 1,4 cm che abbiamo calcolato?

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