Faradayscher Käfig

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.

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 $E_A$, 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 $E_I$ im Inneren des Autos.

Das äußere elektrische Feld $E_A$ bewirkt also ein inneres elektrisches Feld $E_I$. 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.

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.

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:

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?

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.

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.