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Faradayscher Käfig

Erfahre, wie ein faradayscher Käfig externe elektrische Felder mithilfe eines leitenden Materials abschirmt. Entdecke, warum Autos bei Gewitter sicher sind und wie Mikrowellenöfen als Käfige dienen. Interessiert? Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text!

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Die Autor*innen
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Jakob Köbner
Faradayscher Käfig
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Faradayscher Käfig Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Faradayscher Käfig kannst du es wiederholen und üben.
  • Erkläre den Faradayschen Käfig.

    Tipps

    Die freien Elektronen im Faradayschen Käfig bewegen sich in einem elektrischen Feld. Dadurch gleicht sich das äußere elektrische Feld aus.

    Welche Art der Kommunikation verwendet elektromagnetische Strahlung?

    Elektromagnetische Strahlung kann als Welle von wechselnden elektrischen und magnetischen Feldern beschrieben werden.

    Lösung

    Durch die freien Ladungsträger des leitfähigen Materials des Faradayschen Käfigs werden äußere elektrische Felder ausgeglichen. Es können also keine elektrischen Felder ins Innere dringen.

    Funktelefone funktionieren durch elektromagnetische Strahlung. Diese kann als Welle von wechselnden elektrischen und magnetischen Feldern beschrieben werden. In einen idealen Faradayschen Käfig kann sie also nicht eindringen. Die meisten Objekte, die wir als Faradaysche Käfige bezeichnen, wie zum Beispiel Autos, sind keine idealen Faradayschen Käfige.

  • Beschreibe die Funktionsweise eines Faradayschen Käfigs.

    Tipps

    Der Faradaysche Käfig besteht aus einem leitfähigen Material. Darin befinden sich frei bewegliche Elektronen.

    Erinnere dich an die Funktionsweise eines Plattenkondensators.

    Überlagern sich zwei elektrische Felder, erhält man das Gesamtfeld durch eine einfache Addition der Einzelfelder.

    Lösung

    Wird ein äußeres elektrisches Feld an einen Faradayschen Käfig angelegt, bewegen sich die freien Elektronen im leitenden Material des Käfigs auf eine Seite. Dadurch entsteht im Inneren des Käfigs ein dem äußeren Feld entgegengesetztes elektrisches Feld. Das innere Feld wächst so lange, bis es das äußere Feld aufgehoben hat.

  • Identifiziere die Faradayschen Käfige.

    Tipps

    Die Karosserie von Autos besteht meist aus Metall.

    Erinnere dich, welche wichtige Eigenschaft das Material besitzen muss, aus dem ein Faradayscher Käfig aufgebaut ist.

    Lösung

    Faradaysche Käfige müssen aus einem leitfähigen Material aufgebaut und geschlossen sein.

    Die Objekte, die diese beiden Bedingungen erfüllen, sind der Vogelkäfig, das Flugzeug, der Metallkäfig und das geschlossen Auto. Denn dessen Karosserie besteht aus Metall.

  • Berechne die Stärke des elektrischen Feldes aus dem Verhalten eines Faradayschen Käfigs.

    Tipps

    Schau dir die Einheit der Feldstärke genau an.

    Die Feldstärke $E$ des elektrischen Feldes in einem Plattenkondensators mit Plattenabstand $d$ ergibt sich aus der Spannung zwischen den beiden Platten also $E=\frac{U}{d}$.

    Nimmt man den Mittelteil des Käfigs heraus, entsteht eine Art Plattenkondensator.

    Wie groß ist die elektrische Feldstärke im Faradayschen Käfig.

    Lösung

    Das äußere elektrische Feld wird durch das vom Käfig erzeugte Feld genau ausgeglichen. Die beiden Felder haben also den selben Betrag. Trennt man in diesem Zustand die beiden Seitenwände und nimmt den Mittelteil heraus, bleiben die Ladungen in den Seitenwänden erhalten, selbst wenn das äußere elektrische Feld abgeschaltet wird.

    Durch das Herausnehmen des Mittelteils des Käfigs ist eine Art Plattenkondensator entstanden. Aus der Spannung $U=10.000\,V$ zwischen den beiden Seitenwänden und ihrem Abstand $d=1\,m$ können wir die elektrische Feldstärke im Inneren des Plattenkondensators berechen. Die Feldstärke ergibt sich als $E=\frac{U}{d}=10.000\,\frac{V}{m}$.

    Wie am Anfang erwähnt, haben das äußere elektrische Feld und das von der Ladungsverteilung des Käfigs erzeugte Feld den gleichen Betrag. Die Feldstärke des äußeren Feldes ist also $E=10.000\,\frac{V}{m}$.

  • Finde die Fälle in denen ein Faradayscher Käfig Schutz bietet.

    Tipps

    Das Innere eines Faradayschen Käfigs ist vor elektrischen Entladungen außerhalb des Käfigs geschützt.

    Lösung

    Das Innere eines Faradayschen Käfigs ist vor elektrischen Entladungen außerhalb des Käfigs geschützt. Genauso ist das Äußere eines Faradayschen Käfigs vor elektrischen Entladungen innerhalb des Käfigs geschützt.

    Befindet man sich also innerhalb des Käfigs und der Hochspannungsgenerator außerhalb, ist man sicher. Genau dasselbe gilt andersherum.

  • Wende an, was du über die Funktionsweise des Faradayschen Käfig weißt.

    Tipps

    Ist die Zahl der Elektronen im Material endlich?

    Was passiert, wenn alle Elektronen auf einer Seite des Käfigs sind?

    Lösung

    Die Zahl der freien Elektronen im Material des Käfigs ist begrenzt. Wird das äußere Feld immer stärker, befinden sich irgendwann alle freien Elektronen auf einer Seite des Käfigs. Bei noch stärkeren Feldern, kann der Käfig das äußere Feld also nicht weiter ausgleichen und es dringt ins Innere vor.

    Falls der Käfig geerdet ist, können immer Elektronen aus der Umgebung des Käfigs in den Käfig fließen und der Käfig kann weiter das äußere elektrische Feld ausgleichen.