Elektrotechnik Grundlagen

Faradayscher Käfig

Faradayscher Käfig – diesen Begriff hast du wahrscheinlich schon sehr oft gehört. Der berühmteste Faraday Käfig ist wahrscheinlich das Auto, aber es gibt noch sehr viele andere Anwendungen. Wir zeigen dir ein paar davon. Davor erklären wir dir wie ein solcher Käfig aufgebaut ist und wie dieser funktioniert.

Wir haben über dieses Thema auch ein Video  gemacht, dass du dir gerne ansehen kannst.

Inhaltsübersicht

Faradayscher Käfig einfach erklärt

Ein Faradayscher Käfig kann elektrostatische Felder durch Influenz und elektromagnetische Wellen durch Induktion abschirmen. So bist du während eines Gewitters im Auto am sichersten. Wenn hier der Blitz einschlägt, bleibt das innere des Autos feldfrei und der Blitz trifft nicht die Insassen im Auto.

Faradayscher Käfig Aufbau

Ein Faradayscher Käfig ist eine geschlossene Hülle aus einem elektrisch leitfähigem Material.

Faradayscher Käfig - geschlossene Hülle aus elektrisch leitfähigem Material, Aufbau
direkt ins Video springen
Faradayscher Käfig – Aufbau

Wenn nun außerhalb vom Käfig ein Feld anliegt, ist das innere feldfrei. Das gleich gilt auch umgekehrt. Dabei ist es für die elektrostatische Abschirmung egal, ob dieser Käfig geschlossen, oder aus einem Gitter aufgebaut wurde. Darauf gehen wir später im Artikel noch genauer ein.

Faradayscher Käfig Funktion

In den folgenden zwei Abschnitten wollen wir dir die Funktion eines Faradayschen Käfigs zeigen. Dabei erklären wir auch die Ursache der verschiedenen Effekte.

Elektrische Abschirmung

Der Faraday Käfig kann elektrostatische Felder abschirmen. Was ein solches Feld genau ist haben wir in einem anderen Video bereits erklärt. Die treibende Kraft für die elektrische Abschirmung ist die Influenz. Kurz gesagt bewirkt die Influenz eine Ladungsverschiebung aufgrund eines elektrischen Feldes. In folgendem Versuchsaufbau erkennst du diese Wirkung.

Faradayscher Käfig Funktion, Versuchsaufbau und Wirkung
direkt ins Video springen
Versuchsaufbau und Wirkung

Bringt man zwei aneinander liegende, elektrisch leitfähige, ungeladene Metallplatten in das Feld E1, so werden die Elektronen darauf vom Pluspol angezogen. Auf einer Seite hast du nun einen Elektronenüberschuss, auf der anderen einen Elektronenmangel.  Werden nun die Platten getrennt, entsteht aufgrund der unterschiedlichen Ladung das Feld E2.

Den Faradayschen Käfig kannst du dir genau mit diesem Phänomen erklären.

Faradayscher Käfig Funktionsweise
direkt ins Video springen
Funktionsweise

Von außen wirkt wieder ein elektrostatisches Feld. Diesmal haben wir keine zwei verschiedenen Platten, sondern einen geschlossenen Käfig. Wegen dem äußerem Feld werden jetzt die Elektronen auf der Oberfläche Richtung Pluspol verschoben. Im Inneren entsteht nun ein elektrisches Feld, welches entgegengesetzt gerichtet und gleich groß zum ursprünglichem ist. Die zwei verschiedenen Felder heben sich gegenseitig auf und somit ist das innere im Faradayschen Käfig feldfrei.

Elektromagnetische Abschirmung

Ist der Käfig vollständig geschlossen, so können auch magnetische Wechselfelder abgeschirmt werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass elektrische Wirbelströme induziert werden. Zum Thema Induktion haben wir bereits in einem Video wichtige Grundlagen erklärt, die du im folgenden brauchst.

Um dir den Sachverhalt selbst erklären zu können musst du die Rechte Hand Regel kennen. Du kannst mit deiner Rechten Hand den Draht umgreifen. Dein Daumen muss dabei in Stromrichtung zeigen. Wenn du das machst zeigen dann deine anderen Finger in die Richtung des entstehenden Magnetfelds.

Rechte-Hand-Regel bzw. Rechte-Faust-Regel
direkt ins Video springen
Rechte-Hand-Regel bzw. Rechte-Faust-Regel

Ein zeitlich veränderndes Magnetfeld induziert ein elektrisches Feld und umgekehrt. In folgendem Bild erkennst du diesen Zusammenhang.

Umkehrung des elektrischen Feldes Faradayscher Käfig
direkt ins Video springen
Umkehrung des elektrischen Feldes

Wenn du das Magnetfeld dem Ring annäherst, ändert sich die magnetische Flussdichte B, welche den Ring durchdringt. Dadurch entsteht im Ring ein Induktionsstrom, der nach der Lenzschen Regel der Zunahme der magnetischen Flussdichte entgegen gerichtet sein muss. Die Lenzsche Regel besagt, dass die Wirkung (in unserem Fall der Wirbelstrom), immer der Ursache (in unserem Fall das zunehmende Magnetfeld B) entgegen wirken muss.

Genauer gesagt bedeutet das, wenn sich das Magnetfeld nähert, muss der induzierte Wirbelstrom so verlaufen, dass dieser der Zunahme des Magnetfelds entgegenwirkt. In unserem Fall also im Uhrzeigersinn. Mit der rechten Hand Regel siehst du dann, dass dieser Strom ein Magnetfeld erzeugt, welches entgegengesetzt zum ersten ist. Ziehst du nun den Stabmagneten wieder zurück, dann nimmt die magnetische Flussdichte B im Ring ab. Der Strom muss deshalb genau in die andere Richtung fließen, damit sein erzeugtes Magnetfeld der Abnahme entgegenwirkt.

Die Voraussetzungen dafür sind, dass die elektromagnetische Wellen eine hohe Frequenz haben, da sonst keine Wirbelströme entstehen können, die das innere feldfrei halten. Das heißt, dass statische Felder, wie beispielsweise das Erdmagnetfeld nicht abgeschirmt werden können. Außerdem muss der Faradayscher Käfig nun, anders als bei der elektrischen Abschirmung, komplett geschlossen sein, damit der Wirbelstrom ungehindert  fließen kann.

Faradayscher Käfig Anwendung

Die Faraday Käfige finden in vielen Gebieten Anwendungen. Eben überall dort, bei denen Felder abgeschirmt werden müssen. Eine haben wir bereits besprochen. Wenn im Auto oder im Flugzeug ein Blitz einschlägt, sind die Leute im Inneren geschützt. Hier dient beispielsweise die Blechkarosserie als Käfig.

Aber auch in der Industrie oder in Kraftwerken benutzt man Käfige, als eine weitere Sicherheitsmaßnahme. Beispielsweise werden die Arbeiter dort mithilfe der Gitter vor Funkenschläge oder ähnlichem geschützt.

In der Küche habt ihr ziemlich wahrscheinlich ebenfalls einen Faradayschen Käfig stehen – die Mikrowelle. Du erkennst ihn sogar am Gitter in der durchsichtigen Scheibe. Dort kommt der Käfig zum Einsatz, um die Mikrowellen Strahlen abzuschirmen, die dein Essen erwärmen sollen.

In der Elektrotechnik werden Faradaysche Käfige sehr häufig genutzt. Vor allem in der EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit), bei der versucht wird, die Signale von äußeren Einflüssen beziehungsweise Störsignalen zu schützen. So kommen zum Beispiel Metallgehäuse um Platinen, oder Metallgeflechte um verschiedene Kabel zum Einsatz.


Andere Nutzer halten diese Inhalte aus dem Bereich „Elektrotechnik Grundlagen“ für besonders klausurrelevant

Hallo, leider nutzt du einen AdBlocker.

Auf Studyflix bieten wir dir kostenlos hochwertige Bildung an. Dies können wir nur durch die Unterstützung unserer Werbepartner tun.

Schalte bitte deinen Adblocker für Studyflix aus oder füge uns zu deinen Ausnahmen hinzu. Das tut dir nicht weh und hilft uns weiter.

Danke!
Dein Studyflix-Team

Wenn du nicht weißt, wie du deinen Adblocker deaktivierst oder Studyflix zu den Ausnahmen hinzufügst, findest du hier eine kurze Anleitung. Bitte lade anschließend die Seite neu.