Faradayscher Käfig – Erklärung und Beispiele
Ein faradayscher Käfig besteht aus elektrisch leitendem Material und schirmt elektrostatische Felder sowie elektromagnetische Wellen ab. Bekannte Beispiele sind Autos, Züge und sogar Mikrowellen. Lerne, wie dieser Schutzmechanismus funktioniert! Interessiert? Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text.
Inhaltsverzeichnis zum Thema Faradayscher Käfig
Faradayscher Käfig im Überblick
Quelle sofatutor.com
Faradayscher Käfig – Begriff und Aufbau
Der faradaysche Käfig wurde nach dem englischen Physiker Michael Faraday benannt. Ein solcher Käfig besteht aus einem elektrisch leitenden Material, ist geschlossen und umschließt so einen Innenraum.
Faradayscher Käfig – Abschirmung elektrostatischer Felder
Bei elektrostatischen Feldern beruht die Abschirmung im Inneren auf der sogenannten Influenz. Dieses Phänomen beruht darauf, dass freie Ladungsträger, das sind die Elektronen, sich innerhalb des Leiters bewegen können. Durch das äußere elektrische Feld kommt es also zu einer Ladungsverschiebung. Schauen wir uns das folgende Bild an:
Die Elektronen werden von der positiven Seite des elektrischen Felds, hier links, angezogen. Die positiven Ladungsträger hingegen können sich nicht bewegen. So kommt es, dass es auf der linken Seite des Käfigs zu einem Elektronenüberschuss, auf der rechten hingegen zu einem Elektronenmangel kommt. So entsteht im Inneren des Käfigs ein elektrisches Feld, das dem äußeren entgegengesetzt ist. Die beiden Felder sind betraglich gleich groß, aber entgegengesetzt und somit heben sie sich gegenseitig auf. Das Innere ist feldfrei. Für elektrostatische Felder reicht auch ein Gitter aus – im Gegensatz zu den elektromagnetischen Wellen –, jedoch nur, solange die Löcher nicht zu groß sind.
Faradayscher Käfig –Abschirmung elektromagnetischer Wellen
Dass auch elektromagnetische Wechselfelder bei komplett geschlossenen Käfigen abgeschirmt werden können, liegt an der Induktion, die sogenannte Wechselströme induziert. Kurz gesagt geht es bei der Induktion darum, dass ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld einen elektrischen Strom induziert, also verursacht. Beim Bauen muss man jedoch beachten, dass der Käfig keine Löcher aufweisen darf, um elektromagnetische Wellen abschirmen zu können, da die Wirbelströme die Möglichkeit haben müssen, zu fließen. Außerdem müssen die Wellen hochfrequent sein, damit Wechselströme induziert werden.
Faradayscher Käfig – Beispiele
Sicher hast du schon einmal davon gehört, dass du dich bei Gewitter aufgrund des Spitzeneffekts möglichst klein auf dem Boden machen solltest oder besser noch in einem Auto sicher vor Blitzen bist. Nun kannst du auch erklären, warum: Das Auto ist aufgrund der Karosserie, die aus elektrisch leitendem Material besteht, ein faradayscher Käfig und kann so einen Blitz über die Reifen an die Erde weiterleiten, ohne dass du geschädigt wirst. Genauso ist auch ein Zug ein faradayscher Käfig. Warum aber kommt jetzt der Blitz nicht ins Auto, aber du kannst mit deinem Handy aus dem Auto heraus telefonieren? Das liegt daran, dass für das elektrostatische Feld des Blitzes die Karosserie mit seinen Löchern, z. B. an den Fenstern, ausreicht. Um elektromagnetische Wellen abzuschirmen, wie die Funkwellen deines Handys, muss der Käfig jedoch durchgehend geschlossen sein. Bei der Mikrowelle hingegen geht es darum, das Äußere, also dich, vor den Mikrowellen zu schützen. Dazu ist um die Mikrowelle herum ein elektrisches Feld, das das in der Mikrowelle neutralisiert.