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