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Faradayscher Käfig

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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

Beschreibung Faradayscher Käfig

Inhalt

Der faradaysche Käfig

Hast du schon einmal vom faradayschen Käfig gehört? Er ist nach dem Experimentalphysiker Michael Faraday benannt – nicht etwa, weil dieser in ihm eingesperrt gewesen wäre, sondern weil er ihn erfunden hat. Der faradaysche Käfig ist nämlich ein aus physikalischer Sicht interessanter Aufbau. Es handelt sich dabei um einen geschlossenen Käfig aus einem elektrisch leitfähigen Material, der statische elektrische Felder vollkommen abschirmen kann. Wie das funktioniert, wollen wir uns im Folgenden anschauen. Dazu solltest du bereits das coulombsche Gesetz kennen.

Anmerkung für Interessierte
Ein idealer faradayscher Käfig kann auch Wechselfelder (also solche Felder, die periodisch ihre Richtung ändern) oder Felder, die sehr schnell ihre Stärke ändern, abschirmen, aber nicht mehr vollständig. Bei Wechselfeldern ist die physikalische Ursache für die Abschirmung auch eine andere als die hier beschriebene.

Faradayscher Käfig – Erklärung

Um die Funktionsweise eines faradayschen Käfigs zu verstehen, stellen wir uns einen geschlossenen Kasten aus einem elektrischen Leiter vor. Ein elektrischer Leiter ist dadurch charakterisiert, dass er freie Ladungsträger besitzt. In der Regel handelt es sich dabei um Elektronen, also negative Ladungsträger. Diese können sich innerhalb des Leiters frei bewegen, wohingegen die positiven Atomrümpfe unbeweglich gebunden sind.

Faradayscher Käfig Physik, Skizze

Jetzt überlegen wir uns, was passiert, wenn wir diesen Kasten einem homogenen elektrischen Feld $E_{ext}$ – wie es beispielsweise durch einen Plattenkondensator erzeugt wird – aussetzen. Nach dem coulombschen Gesetz wirkt auf die Elektronen im Innern des elektrischen Leiters nun eine Kraft $F_{ext}$:

$F_{ext} = -e \cdot E_{ext}$

Die Elektronen werden also in entgegengesetzter Richtung zum Feld beschleunigt. Wird das Feld von einem Kondensator erzeugt, entspricht das der Richtung der positiv geladenen Platte. Diese Verschiebung der freien Ladungsträger nennt man auch Influenz. Durch die Verschiebung lädt sich eine Seite des Kastens im Vergleich zur gegenüberliegenden Seite negativ auf, wodurch wiederum ein elektrisches Feld $E_{inf}$ erzeugt wird. Dieses verläuft in genau entgegengesetzter Richtung zum ursprünglichen Feld $E_{ext}$ und bewirkt demzufolge auch eine Kraft $F_{inf}$, die der Kraft $F_{ext}$ entgegengerichtet ist.

Das durch Influenz erzeugte Feld wird solange größer, bis sich die Kräfte $F_{inf}$ und $F_{ext}$ gerade ausgleichen – also die Felder gleich groß sind:

$F_{inf} = -F_{ext} ~ ~ ~ \Leftrightarrow ~ ~ ~ E_{inf}=-E_{ext}$

Im Innern des Käfigs überlagern sich beide Felder zum resultierenden Feld $E_{res}$:

$E_{res} = E_{inf} + E_{ext} = 0$

Da die Felder entgegengesetzt gerichtet aber gleich groß sind, ist das resultierende Feld gleich null. Das bedeutet, das Innere des Käfigs ist feldfrei.

Faradayscher Käfig Funktion

In unseren Überlegungen haben wir einen Käfig betrachtet, der vollkommen geschlossen ist. Ein faradayscher Käfig kann allerdings auch aus einem engmaschigen Drahtgeflecht oder Ähnlichem bestehen. Durch die Löcher kann das elektrische Feld zwar teilweise eindringen. Wenn sie klein genug sind, ist das Innere dennoch weitgehend feldfrei. Übrigens kann ein solcher Käfig auch ein Feld, das in seinem Innern entsteht, nach außen abschirmen.

Faradayscher Käfig – Beispiele

Du weißt sicher, dass man bei Gewitter im Auto sicher ist. Das liegt daran, dass das Auto bei einem Blitzeinschlag wie ein faradayscher Käfig funktioniert und das Feld des Blitzes abschirmt. Dasselbe gilt beispielsweise für Flugzeuge. Du hast vermutlich auch einen faradayschen Käfig zu Hause: Mikrowellen sind faradaysche Käfige. Das ist wichtig, damit die Mikrowellenstrahlung nicht austreten kann.

Auch in Forschungslaboren werden faradaysche Käfige genutzt, wenn Experimente mit Hochspannung durchgeführt werden.

Dieses Video

In diesem Video wird dir erklärt, was ein faradayscher Käfig ist und wie er funktioniert. Du lernst das Phänomen der Influenz und ein paar Beispiele für faradaysche Käfige kennen. Damit bist du für ein Referat zu diesem Thema bestens gerüstet. Neben Text und Video findest du interaktive Übungen, um dein neues Wissen zu testen.

Transkript Faradayscher Käfig

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle. Wir wollen uns heute aus dem Gebiet Elektrizität und Magnetismus mit dem Faradayschen Käfig beschäftigen. Für dieses Video solltet ihr bereits das Video über das Coulombsche Gesetz gesehen haben. Wir lernen heute: Was ein Faradayscher Käfig ist, wer ihn entdeckt hat und wofür man ihn alles einsetzen kann und wie das Ganze eigentlich genau funktioniert. So, dann wollen wir mal. Was ist denn nun ein Faradayscher Käfig? Als Faradayschen Käfig bezeichnet man eine an allen Seiten geschlossene Hülle aus einem leitenden Material, also zum Beispiel aus Blech oder einem engen Maschendrahtgitter, die in der Lage ist, elektrische Felder abzuschirmen. Klingt so weit ganz gut. Dann wollen wir uns als Nächste mal ansehen: Wer hat das Ding erfunden, und wofür wird es denn so verwendet? Die erste Frage ist, wie meistens, nicht allzu schwierig zu beantworten. Erfunden hat den Faradayschen Käfig Michael Faraday, einer der berühmtesten Experimentalphysiker. Dieser hatte übrigens ursprünglich nur eine Ausbildung zum Buchdrucker gemacht, sich dann aber so für Physik interessiert, dass er sich sozusagen den gesamten Stoff selber beigebracht hat. Der Faradaysche Käfig ist nur eine seiner vielen Erfindungen, und einen Anwendungszweck seht ihr hier rechts im Bild. Wie man erkennen kann, stehen hier zwei Männer in einem Käfig, auf den ein Blitz einschlägt, der aber offensichtlich den beiden Männern nichts antut. Das heißt, der Faradaysche Käfig schützt anscheinend vor elektrischen Entladungen, und das ist auch schon sein Hauptverwendungszweck. Ein weiteres Beispiel für einen Faradayschen Käfig ist zum Beispiel, wenn ein Blitz einschlägt, während man im Auto sitzt. Im Inneren des Autos ist man vor den Effekten des Blitzes geschützt. Dieser Effekt funktioniert übrigens auch andersherum! Außerhalb des Käfigs stattfindende elektrische Entladungen können Personen innerhalb des Käfigs genauso wenig anhaben, wie elektrische Entladungen innerhalb des Käfigs Personen die außerhalb des Käfigs stehen. Das ist aber noch nicht alles. Ein idealer Faradayscher Käfig, das bedeutet ein Faradayscher Käfig völlig ohne Löcher, wie sie zum Beispiel ein Auto dort hat, wo die Fensterscheiben sind, ist sogar in der Lage, Radio- und Handyempfang komplett zu verhindern. Das bedeutet, er ist in der Lage, in seinem Inneren einen komplett feldfreien Raum zu erzeugen. Und wie er das schafft, sehen wir im nächsten Kapitel. Am schnellsten versteht man die Funktionsweise eines Faradayschen Käfigs wahrscheinlich mit folgender Animation: Hier seht ihr einen Querschnitt durch unseren Faradayschen Käfig, der sich in einem homogenen elektrischen Feld befindet. Von der im Feld wirkenden Coulomb-Kraft beschleunigt beginnen die freien Ladungsträger in unserer Käfighülle nun, sich an einer Seite zu versammeln. Nur als Beispiel: wenn wir uns vorstellen, dass unser Feld von einem riesigen Plattenkondensator verursacht wird, dann werden, falls wir als freie Ladungsträger Elektronen haben, alle Elektronen anfangen, sich an der Seite des Käfigs zu versammeln, die der positiven Kondensatorplatte zugewandt ist. Dadurch lädt sich also die der Plusplatte zugewandte Seite unseres Käfigs negativ auf, und die entgegengesetzte Seite positiv. Dieser Vorgang setzt sich so lange fort, bis die Coulomb-Kräfte des Feldes ausgeglichen werden durch die Coulomb-Kräfte in unserer Käfighülle. Dadurch erzeugt unsere Käfighülle nun aber selbst ein elektrisches Feld. Und dieses elektrische Feld ist exakt dem äußeren elektrischen Feld entgegengesetzt, und gleicht es damit aus. Und das ist das Geheimnis des Faradayschen Käfigs. Wir merken uns also: Das äußere elektrische Feld zwingt die freien Ladungsträger in unserer Käfighülle dazu, sich neu zu ordnen. Diese Neuverteilung der freien Ladungsträger hört erst auf, wenn die zwischen ihnen wirkenden Coulomb-Kräfte die Coulomb-Kraft des elektrischen Feldes ausgleichen. Dadurch ist nun in der Hülle eine Ladungsverteilung entstanden, die ein Gegenfeld zum äußeren elektrischen Feld erzeugt, sodass das Innere des Käfigs immer feldfrei bleibt. Wir wollen noch mal zusammenfassen, was wir heute gelernt haben: Ein Faradayscher Käfig ist eine Konstruktion, die in ihrem Inneren elektrische Felder abschirmt. Sie wurde von Michael Faraday erfunden, und unter Anderem dazu eingesetzt, sich vor elektrischen Entladungen, wie zum Beispiel Blitzen, zu schützen. Das Funktionsprinzip ist folgendes: Durch das äußere elektrische Feld verschieben sich die freien Ladungsträger in der Käfighülle so, dass sie ein Gegenfeld zum äußeren Feld aufbauen, sodass das Innere des Käfigs feldfrei bleibt. So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal, euer Kalle.

4 Kommentare

4 Kommentare
  1. @Finn.B: Tut uns leid für die späte Antwort aber lieber spät als nie;-). Der bekannteste Faradaysche Käfig im Alltag ist wohl das Auto, wie auch im Video erwähnt. Die Blechverkleidung wirkt als Faradayscher Käfig und würde dich z.B. bei einem Blitzeinschlag schützen. Das selbe gilt für das Flugzeug. Jetzt fragst du dich bestimmt warum man dann im Auto mit dem Mobiltelefon telefonieren kann. Nun ja, die Fugen zwischen der Karosserie erlauben der kurzwelligen Strahlung, welche für den Mobilfunk genutzt wird, einzudringen. Ein weiters Beispiel für einen Faradayschen Käfig ist die Mikrowelle. Da sie ein perfekter Faradayscher Käfig ist kann die Strahlung, welche innerhalb der Mirkowelle erzeugt wird, nicht nach außen dringen.

    Von Nikolai P., vor fast 9 Jahren
  2. Ok ;p

    Von Finn.B, vor fast 9 Jahren
  3. Ist ein bisschen schwer:P

    Von Samsam87, vor fast 9 Jahren
  4. Eine Frage hätte ich noch zum Faradayschen Käfig bin in der 9 Klasse und ich mag Physik Gerne :D und wir müssen so einen Vortrag vorbereiten zum Aufbau, Funktion und wo er zu finden ist. Die ersten beiden Punkte hast du sehr gut erklärt auch für mich zu verstehen aber der dritte Punkt hast du da eine Antwort drauf? Wäre echt cool

    Von Finn.B, vor fast 9 Jahren

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.

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