Faradayscher Käfig

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Der faradaysche Käfig (auch Faraday-Käfig) ist eine allseitig geschlossene Hülle aus leitfähigem Material (z. B. Drahtgeflecht oder Blech), deren Innenraum dadurch von äußeren elektrischen Feldern oder elektromagnetischen Wellen abgeschirmt ist. Der Begriff geht auf den englischen Physiker Michael Faraday (1791-1867) zurück.

Der Faraday-Käfig-Effekt ist verantwortlich für Phänomene wie diese:

Im Innern des Käfigs ist kein Funkempfang (Radio, Mobilfunk) möglich.
Schlägt ein Blitz vor einem oder in ein Auto ein, so trifft er nicht die Insassen des Autos.
Wird ein Blitz innerhalb einer Kugel aus Draht erzeugt, so trifft er nicht die außenstehenden Zuschauer.

[Bearbeiten] Erklärung

Die Elektronen des Blitzes stoßen sich ab und verlagern sich auf die Außenseite

Für die Erklärung ist es einfacher, das Problem im zweidimensionalen Raum zu betrachten (in drei Dimensionen verhält es sich analog): Man denke sich einen radialen Leiterquerschnitt, der Leiter ist makroskopisch betrachtet elektrisch neutral, es gibt also kein E-Feld. Jetzt wird ein äußeres elektrisches Feld angelegt. Das äußere elektrische Feld hat zur Folge, dass in diesem Leiter Influenz (Ladungstrennung) stattfindet (positive Ladungsträger bewegen sich in Feldrichtung, negative bewegen sich antiparallel zum Feld). Es werden so lange bewegliche Ladungsträger an die Oberfläche des Leiters gezogen, bis die Oberflächenladungen das äußere elektrische Feld kompensieren und das elektrische Feld in seinem Inneren verschwindet.

Diese Aussage gilt nicht nur für Leiter, sondern auch wenn der Leiter hohl ist, wie im Inneren einer leitfähigen Hülle (z. B. ein metallisches Rohr). Dort verschwindet das elektrische Feld $\vec{E}$ , d. h. das elektrische Potential $φ$ im Inneren ist konstant. Da $\vec{E} = -\operatorname{grad} \phi$ , folgt aus $\vec{E} = 0$ :

φ = const.

Einfach ausgedrückt: Die leitfähige Hülle wirkt als Äquipotentialfläche, sozusagen eine „elektrische Wand“.

Bei nicht zu hochfrequenten Wechselfeldern genügt es auch, wenn statt eines geschlossenen Leiters ein Käfig aus Leitermaschen eingesetzt wird.

[Bearbeiten] Anwendungen

Faradaysche Käfige werden überall dort angewandt, wo Einflüsse von äußeren elektrischen Feldern, die zum Beispiel bei der Benutzung von Computern entstehen, die Funktionsweise des Gerätes stark negativ beeinflussen können. Beispielsweise wird er zur Abschirmung von Messinstrumenten, elektrischen Leitungen (z. B. Koaxialkabel) oder Messräumen verwendet. Der faradaysche Käfig ist dann z. B. das Gehäuse aus einem leitenden Material oder eine dünne metallische Folie (vorzugsweise Aluminium) mit der der Leiter ummantelt ist. Wenn es um die Abschirmung ganzer Räume geht, wird dieser mit Draht (z. B. feinem Maschendraht) ausgekleidet.

Das Prinzip des Faraday-Käfig findet aber auch Anwendung beim umgebenden Drahtsystem einer Blitzschutzanlage für Gebäude. Auch Autos und Flugzeuge sind näherungsweise Faraday-Käfige.

[Bearbeiten] Versuch

Funkenstrecke am faradayschen Käfig, besetzt mit einem Angestellten des Deutschen Museums

Man nehme einen elektrischen Leiter und verdicke ihn. Anschließend erzeuge man in der Verdickung eine Blase. Für diese nicht leitende Blase gilt, dass alle elektrischen Effekte, wie

in der Blase unabhängig von Effekten außerhalb der Blase und damit auch unabhängig von Effekten im umgebenden Leiter auftreten. Der die Blase umgebende Leiter schirmt die äußeren Effekte ab.

Die vollständige Ummantelung durch einen Leiter kann auch durch ein Geflecht von Leitern (wie z. B. Käfiggitter - daher der Name) angenähert werden, wenn der elektrische Leitfähigkeitsunterschied zwischen Leiter und Nichtleiter genügend groß ist. Man kann einen solchen Versuch im Deutschen Museum täglich live miterleben.