Der Faradaysche Käfig – eine besondere Anwendung

Der Faradaysche Käfig – Allgemeines

In der Elektrizitätslehre im Schulunterricht befasst man sich nicht nur mit den Grundlagen wie Ohmsches Gesetz oder die Lorentz-Regel, sondern auch mit Anwendungen. Eine dieser Anwendungen ist der sogenannte Faradaysche Käfig. Der Faradaysche Käfig oder auch Faraday-Käfig ist ein von einem (in der Regel) Metallgitter umgebener Raum. Bringt man nun elektrische Ladung auf Werden diesen Metallkäfig elektrische Ladungen aufgebracht, so verteilt sich die elektrische Ladung nur auf dem Metallkäfig. Im Innenraum eines Faradayschen Käfig finden wir daher keine “elektrische Ladung” bzw. ein elektrisches Feld vor. Der Faradaysche Käfig findet bei vielen technischen Produkten eine Anwendung, beispielsweise in der Automobiltechnik. So ist die Fahrzeugkarosserie so ausgelegt, dass sie wie ein Faradayscher Käfig wirkt und den Innenraum bzw. die Personen darin vor elektrischer Ladung bzw. Blitzeinschlag schützt.

Der Faradaysche Käfig -Die “Erklärung”

Das Phänomen, das hinter dem Faradayschen Käfig steckt, setzt alle Grundkenntnisse der Elektrizitätslehre voraus. Beispielsweise wie elektrische Ladungen auf einen umgebenden Raum eine Kraft ausüben und dadurch die sogenannten elektrischen Felder erzeugen. Die Richtung dieser Kraft wird in der Elektrizitätslehre durch Feldlinien gekennzeichnet, die im Allgemeinen von der “positiven” zur “negativen” Ladung gerichtet sind.

Des Weiteren ist zum Verständnis des Faradayschen Käfigs auch notwendig, wie Ladung überhaupt übertragen werden kann. Bringen wir nun auf den Metallkäfig (Metalle sind elektrisch leitend) elektrische Ladungen auf, so sind die Ladungen innerhalb des Metallkäfigs beliebig bewegbar. Da im Inneren des Metallkäfigs nur ein mit Luft gefüllter Raum ist, enthält das Innere des Faradayschen Käfig keine Ladung. Daher haben wir Ladungen auf dem Metallgitter und im Innenraum hingegen keine Ladungen. Dieses Prinzip können wir uns am besten mit Hilfe eines Plattenkondensators vorstellen, wo wir auch eine elektrisch geladene Metallplatte und dazwischen einen Raum haben, der keine Ladung “aufweist”. Wie im Kapitel “Plattenkondensator” vorgestellt, entsteht dadurch eine Influenz.

Diese Influenz verursacht ebenfalls ein elektrisches Feld (siehe Kapitel Influenz). Wie in der Physik allgemein gilt hier das Prinzip “Ursache und Wirkung” bzw. “Actio und Reactio”. Dieses elektrische Feld, dass durch die Influenz “erzeugt” wird ist dem elektrischen Feld, dass durch die Ladungsverteilung am Fardayschen Käfig erzeugt wirkt, entgegengesetzt. Dadurch kommt es zum “Aufeinanderwirken” von zwei elektrischen Feldern, die entgegengerichtet sind und sich (Schwerpunkt) im Inneren des Faradayschen Käfigs befinden. Durch die entgegengesetzte Wirkung der elektrischen Feldlinien im Inneren des Käfigs heben sich die elektrischen Felder gegenseitig auf. Daher haben wir im Innenraum eines Faradayschen Käfigs kein elektrisches Feld und daher auch keine Kraftwirkung.


Der Faradaysche Käfig – eine besondere Anwendung – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist ein Faradayscher Käfig?

Ein Faradayscher Käfig ist eine Abschirmung aus leitendem Material, welches elektromagnetische Felder in seinem Inneren abschirmt und somit vor elektromagnetischen Einflüssen schützt.

2. Wer ist der Erfinder des Faradayschen Käfges und wann wurde es erstmals eingeführt?

Der Faradaysche Käfig wurde von dem britischen Wissenschaftler Michael Faraday im Jahr 1836 eingeführt.

3. Wie funktioniert ein Faradayscher Käfig?

Der Faradaysche Käfig funktioniert auf der Basis der Umverteilung von elektrischen Ladungen. In einem externen elektrischen Feld verteilen sich die freien Ladungen in der leitenden Schale so, dass das Feld im Inneren des Käfigs null ist.

4. Welche Anwendungen hat der Faradaysche Käfig?

Der Faradaysche Käfig wird in der Elektronik und Telekommunikation als Abschirmung gegen elektromagnetische Interferenzen und in der Medizin in der Magnetresonanztomographie (MRT) verwendet.

5. Muss ein Faradayscher Käfig vollständig geschlossen sein, um zu funktionieren?

Nein, ein Faradayscher Käfig muss nicht vollständig geschlossen sein. Wichtig ist, dass die Leiterschale die zu schützende Region umgibt.

6. Was passiert, wenn eine geladene Partikel in einen Faradayschen Käfig gebracht wird?

Die elektrische Ladung auf der Partikel führt zur Umverteilung der Ladungen auf der Leiterschale des Käfigs, sodass im Inneren kein elektrisches Feld auftritt.

7. Kann der Faradaysche Käfig vor Blitzschlag schützen?

Ja, der Faradaysche Käfig kann auch als Blitzschutz dienen. Das Auto ist ein bekanntes Beispiel dafür.

8. Was ist der Einfluss der Materialstärke auf die Effektivität eines Faradayschen Käfigs?

Die Materialstärke hat keinen nennenswerten Einfluss auf die Effektivität eines Faradayschen Käfigs. Wichtiger ist die Leitfähigkeit und die Kontinuität der Leiterschale.

9. Schützen Faradaysche Käfige vor allen Frequenzen von elektromagnetischen Wellen?

Nein, Faradaysche Käfige sind nicht für alle Frequenzen gleich effektiv. Die Effektivität der Abschirmung hängt vom Verhältnis der Käfiggröße zur Wellenlänge der einfallenden Welle ab.

10. Kann man einen Faradayschen Käfig selbst bauen?

Ja, einen einfachen Faradayschen Käfig kann man selbst bauen. Ein Beispiel dafür ist eine Folie, die um eine Box gewickelt wird. Aber für eine effektive Abschirmung gegen hochfrequente elektromagnetische Felder sind präzise und professionelle Konstruktionen erforderlich.