Im Auto bist du vor dem Blitz geschützt, die gefährlichen Mikrowellen können deiner Mikrowelle nicht entweichen und bei der Datenübertragung mit deinen Kabeln läuft nichts schief. Die drei genannten Gegenstände haben sehr unterschiedliche Funktionen und eine wichtige Gemeinsamkeit: sie können sich selbst und/oder andere Gegenstände vor elektrischen Feldern und auch teilweise vor elektromagnetischen Wellen schützen. Diese Anwendungen benutzen dafür einen sogenannten Faradayschen Käfig.
Faradayscher Käfig: Erklärung
Egal, ob Auto, Mikrowelle oder Datenkabel – ein Faradayscher Käfig, benannt nach dem Physiker Michael Faraday (1791–1867), sorgt dafür, dass elektrostatische Felder (elektrische Felder, die sich nicht oder nur sehr langsam verändern) abgeschirmt oder neutralisiert werden.
Michael Faraday war übrigens nicht der Erfinder vom Faradayschen Käfig. Er hat ihn untersucht und dadurch wichtige Erkenntnisse erlangt. Darum wurde der Käfig nach ihm benannt.
Auch elektromagnetische Wellen können unter bestimmten Bedingungen abgeschirmt werden, dazu aber später mehr.
Der Faradaysche Käfig dient zur Abschirmung oder Neutralisierung von elektrostatischen Feldern und je Bauweise und Situation auch von elektromagnetischen Wellen.
Das elektrische Feld und elektromagnetische Wellen sind Kerninhalte der Elektrizitätslehre und heutiger Technologien. Mehr dazu findest Du in den dazugehörigen Artikeln auf StudySmarter!
Faradayscher Käfig: Material und Aufbau am Beispiel Auto
Auto, Mikrowelle und Datenkabel besitzen eine metallene Hülle. Am Beispiel des Autos kannst Du Dir das wie folgt vorstellen.
In Abbildung 1 siehst Du die metallenen Teile der Autokarosserie dargestellt. Das verwendete Material ist elektrisch leitfähig. Das bedeutet, dass sich dort frei bewegliche Elektronen befinden und ein Stromfluss einfach möglich wäre. Alle Teile der Karosserie sind außerdem miteinander verbunden.
Fensterscheiben an z. B. Front und Türen zählen nicht zum Käfig, da sie nicht leitfähig sind. Dadurch kann der Faradaysche Käfig also auch ein Gitter sein und muss den Innenraum nicht lückenfrei umschließen. Das Innere vom Auto ist weitgehend hohl und nicht leitfähig mit dem Käfig verbunden.
Der Faradaysche Käfig ist eine elektrisch leitfähige, räumliche und verbundene Hülle. Die Hülle kann einen Innenraum komplett umgeben oder ein Gitter sein. Der innere Hohlraum selbst ist nicht leitfähig mit dem Faradayschen Käfig verbunden.
Faradayscher Käfig: Funktionsweise
Wir haben schon festgelegt, dass der Hauptnutzen des Faradayschen Käfigs die Abschirmung oder Neutralisierung von elektrostatischen Feldern und teilweise auch elektromagnetischen Wellen ist. Schauen wir uns zunächst die elektrostatische Neutralisierung an.
Neutralisierung elektrischer Felder mit Skizze und Feldlinien
Bleiben wir doch direkt beim Beispiel Auto. Fragt sich jetzt nur: Wo sind hier die elektrischen Felder?
Dass Du im Auto vor Blitzen geschützt bist, weißt Du vielleicht schon. Damit Blitze aber überhaupt entstehen können, wird ein sehr starkes elektrisches Feld benötigt.
Durch Reibung von Wassertropfen in den Wolken teilen sich dort Ladungen auf. Negativ geladene schwere Wassertropfen befinden sich dann im unteren Teil der Wolke. Dieser starke Minuspol in den Wolken führt dazu, dass die Erde darunter zum Pluspol wird. Dazwischen entsteht, wie in Abbildung 2 gezeigt, ein äußeres elektrisches Feld , in dem sich das Auto befindet.
Da die negativ geladenen Elektronen in der Autokarosserie (im Faradayschen Käfig) frei beweglich sind, werden diese wie in Abbildung 3 vom Pluspol der Erde angezogen und bewegen sich zum unteren Teil des Autos. Im Faradayschen Käfig kommt es durch die Ladungsverschiebung zur Bildung eines inneren elektrischen Feldes im Inneren des Autos.
Die Auswirkung eines elektrischen Feldes auf frei bewegliche Ladungen, wodurch ein anderes elektrisches Feld entsteht, wird als Influenz bezeichnet.
Das äußere elektrische Feld bewirkt also ein inneres elektrisches Feld . Das kann aber nur passieren, wenn der Faradaysche Käfig zusammenhängend aufgebaut ist.
Die Elektronen werden so lange durch die elektrische Kraft vom äußeren Feld nach unten gedrängt, bis das innere elektrische Feld genau gleich stark ist und somit eine gleich starke Gegenkraft ausübt.
Das äußere und innere elektrische Feld sind genau gleich stark, aber entgegengesetzt, und heben sich somit im Inneren des Faradayschen Käfigs auf.
Der Raum im Inneren des Faradayschen Käfigs ist also feldfrei bzw. vom äußeren elektrischen Feld abgeschirmt, weil sich die Felder im Inneren neutralisieren. Das gilt aber nur, wenn die elektrischen Felder elektrostatisch sind. Das heißt, dass sie sich gar nicht oder nur sehr langsam verändern.
Im Inneren des Autos sitzt Du also in einem vor äußeren elektrischen Feldern geschützten feldfreien Raum.
Du siehst, dass der Faradaysche Käfig beim Auto eine verbundene Gitterform annimmt. Wäre der Faradaysche Käfig nicht zusammenhängend, sondern unterbrochen, könnten sich die Elektronen im Inneren nicht bewegen und das innere elektrische Feld würde sich nicht in dieser Art und Weise bilden können.
Zur Abschirmung oder Neutralisierung elektrostatischer Felder ist ein Faradayscher Käfig in Gitterform ausreichend, solange das Gitter zusammenhängend den gesamten Innenraum umgibt.
Dabei ist es egal, ob sich das ursprüngliche elektrische Feld innerhalb oder außerhalb des Faradayschen Käfigs befindet. Der Faradaysche Käfig bewirkt eine Neutralisierung vom ursprünglichen elektrischen Feld.
Beim Auto ist das ursprüngliche Feld das äußere Magnetfeld zwischen Wolken und Erde.
Der Faradaysche Käfig wird aber nicht nur zur Neutralisierung elektrostatischer Felder verwendet, sondern kann auch zur Abschirmung elektromagnetischer Wellen verbaut werden.
Abschirmung elektromagnetischer Wellen
Damit der Faradaysche Käfig elektromagnetische Wellen abschirmen kann, müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein:
Ist der Faradaysche Käfig vollständig geschlossen (in Ausnahmefällen kann es auch wenige winzige Öffnungen geben), kann er auch hochfrequente elektromagnetische Wellen abschirmen.
Das bedeutet, dass das Auto aufgrund der Öffnungen (Scheiben) keine oder nur einen geringen Anteil elektromagnetischer Strahlung / Wellen abschirmen kann. Das ist auch der Grund, warum Du trotz Faradayschem Käfig im Auto noch Empfang für Dein Smartphone hast.
Selbst wenn Du Dich in einem komplett abgeschlossenem Faradayschen Käfig befändest, würde Dein magnetischer Kompass noch immer funktionieren. Das Erdmagnetfeld verändert sich nicht schnell genug, als dass es abgeschirmt werden könnte.
Warum aber müssen sich elektromagnetische Felder schnell ändern, damit sie abgeschirmt werden?
Abschirmung durch Induktion im Faradayschen Käfig
In der Elektrizitätslehre wird hierzu von "Elektromagnetischer Induktion" gesprochen. Aber was war das noch gleich?
Elektromagnetische Induktion in Form einer elektrischen Spannung in einem elektrischen Leiter entsteht dann, wenn sich das den Leiter umgebende Magnetfeld verändert. Die Induktion wirkt stets entgegen ihrer Ursache (Lenzsche Regel).
Treffen hochfrequente elektromagnetische Wellen auf den Faradayschen Käfig auf bzw. befindet sich der Faradaysche Käfig in einem schnell wechselnden Magnetfeld, kommt es zur Induktion im Material des Faradayschen Käfigs. Die Induktion wiederum führt zu sogenannten Wirbelströmen. Diese Wirbelströme bewirken ein eigenes Magnetfeld, entgegengesetzt deren Ursache, also dem ursprünglich wirkenden Magnetfeld.
Warum entgegengesetzt? Das hängt mit der Lenzschen Regel zusammen, die besagt, dass Induktion immer ihrer Ursache entgegenwirkt. Mehr dazu erfährst Du im Artikel "Lenzsche Regel" als ein Unterthema des Artikels "Elektromagnetische Induktion".
Die durch die Wirbelströme entstandenen Magnetfelder sind zusammen genauso stark wie das ursprüngliche Magnetfeld. Dadurch heben sich im Inneren des Faradayschen Käfigs die Magnetfelder gegenseitig auf, und der Faradaysche Käfig ist nun feldfrei.
Dazu kommt es aber nur, wenn sich die Wirbelströme problem- und lückenlos bilden können. Deswegen gelten die vorher genannten Voraussetzungen für den Faradayschen Käfig. Der Faradaysche Käfig muss (fast) komplett geschlossen und das gesamte Material miteinander verbunden sein. Das abzuschirmende Feld muss sich außerdem schnell verändern.
Die induktive und elektrische Funktionsweisen finden auch im Alltag ihren Nutzen, welche im Folgenden näher erläutert werden.
Faradayscher Käfig: Beispiele im Alltag
Über den Faradayschen Käfig im Auto hast Du im Artikel schon viel gelernt. Aber wenn der Faradaysche Käfig Felder neutralisiert, warum ist man dann im Auto vor einem Blitzschlag sicher?
Der Faradaysche Käfig des Autos als Blitzableiter
In den vorherigen Abschnitten ging es immer nur um elektrische und magnetische Felder. Schlägt aber ein Blitz im Auto ein, dann ist nicht direkt das elektrische Feld, sondern der daraus folgende Stromfluss die Gefahr. Denn was bringt es Dir, wenn deine elektrischen Geräte im Auto zwar funktionieren, das Auto an sich aber unter Starkstrom steht?
Du weißt, dass der Faradaysche Käfig des Autos aus elektrisch leitfähigem Material besteht. Dieses Material kann den elektrischen Strom also um ein Vielfaches besser leiten, als der Innenraum des Autos. Schlägt ein Blitz ins Auto ein, erfolgt der Stromfluss somit durch die Außenseite der Karosserie des Autos in den Erdboden.
Im Innenraum bist Du vor dem starken Stromfluss geschützt. Für Dich selbst besteht also kaum Gefahr. Das Auto kann dabei aber Schäden davontragen, die nicht unerheblich oder ungefährlich sein können. Falls Du also in die sehr unwahrscheinliche Lage eines Stromschlages ins Auto kommst, versichere Dich, nachdem Du in Sicherheit bist, ob das Auto noch sicher verwendet werden kann.
Das Auto ist ein recht großes Beispiel eines Faradayschen Käfigs. Der Faradaysche Käfig findet aber auch in kleinerer Form Anwendung.
Die Mikrowelle – der Faradaysche Käfig in deiner Küche
Sicherlich steht bei Dir in der Küche eine Mikrowelle. Vielleicht kennst du auch die grobe Funktionsweise davon. Durch Strahlung werden Wassermoleküle und somit Nahrungsmittel im Inneren erhitzt. Diese Strahlung und die damit eingehende Erwärmung ist gefährlich für Lebewesen. Um diese abzuschirmen, kommt ein Faradayscher Käfig zum Einsatz.
Der Faradaysche Käfig der Mikrowelle bewirkt ein zusätzliches Feld außerhalb der Mikrowelle. Dieses Feld ist gleich groß und entgegengesetzt dem Feld der Mikrowelle. Dadurch entsteht außerhalb der Mikrowelle ein feldfreier Raum. Solange Deine Mikrowelle ordnungsgemäß funktioniert, bist Du also durch den Faradayschen Käfig vor der gefährlichen Strahlung geschützt.
Beim Auto ging es um ein äußeres Feld, das neutralisiert wird, bei der Mikrowelle war es im Inneren des Faradayschen Käfigs. Es gibt aber auch Anwendungen, die in beide Richtungen abschirmend verwendet werden.
Abschirmung von Kabeln
Egal, ob Smartphone, Laptop, Kühlschrank oder deine Deckenlampe. Fast jedes elektrische Gerät wird dauerhaft oder zeitweise mit einem elektrischen Kabel verbunden. Gerade bei Starkstromkabel und wichtigen Datenkabel ist es wichtig, dass die Kabel weder selbst andere Kabel / Geräte beeinflussen noch durch solche beeinflusst werden. Dafür gibt es spezielle Abschirmungen durch einen Faradayschen Käfig um die Kabel herum.
Das Kabel und die Abschirmung kann dabei sehr unterschiedlich aufgebaut sein. Die Abbildung 6 zeigt eine einfache Umsetzung eines Faradayschen Käfigs zur Abschirmung von Kabeln.
Der gitterförmige Faradaysche Käfig innerhalb der Kabelisolierung führt vorwiegend dazu, dass äußere elektrische Felder neutralisiert und dass die durch Stromfluss im Kabel entstehenden Felder nach außen hin abgeschirmt werden. Damit der elektrisch leitfähige Faradaysche Käfig nicht mit dem Kabel oder mit einem Gerät außerhalb des Kabels in Berührung kommt, ist er in die normalerweise schon vorhandene Isolierung eingebaut.
Möchtest Du Dir einen Faradayschen Käfig selbst bauen, benötigst Du dafür ein metallenes Netz, das Strom leiten könnte. Im Inneren des Netzes hast Du dann Deinen eigenen kleinen Faradayschen Käfig.
Faradayscher Käfig - Das Wichtigste
- Der Faradaysche Käfig dient zur Abschirmung oder Neutralisierung elektrischer Felder sowie je nach Bauweise und Situation auch zur Abschirmung von elektromagnetischen Wellen, Strahlung und Feldern.
- Der Faradaysche Käfig besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, welches so geformt wird, dass es eine umfassende, zusammenhängende und verbundene Hülle ergibt.
- Wirkt ein elektrostatisches Feld auf einen Faradayschen Käfig, so werden die Elektronen im Material durch das Feld verschoben und erzeugen ein eigenes gleich starkes, aber entgegengesetzt wirkendes elektrisches Feld. Die Felder heben einander auf und es entsteht ein feldfreier Raum.
- Elektromagnetische Strahlung kann durch einen Faradayschen Käfig nur abgeschirmt werden, wenn sich diese schnell verändert. Der Faradaysche Käfig muss dafür zusammenhängend und lückenlos aufgebaut sein, damit durch elektromagnetische Induktion Wirbelströme entstehen können. Durch die Wirbelströme entsteht ein gleich großes elektromagnetisches Feld entgegengesetzt des ursprünglichen Feldes, wodurch sich die Wirkung beider Felder gegenseitig aufhebt.
- Das Auto schützt vor Blitzschlag, weil die Ströme durch die äußere Karosserie, die einen Faradayschen Käfig bildet, in den Erdboden fließen.
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