Faradayscher Käfig
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Der Faradaysche Käfig (auch Faraday-Käfig) ist eine allseitig geschlossene Hülle aus einem elektrischen Leiter (z. B. Drahtgeflecht oder Blech), deren Innenraum dadurch von äußeren elektrischen Feldern oder elektromagnetischen Wellen abgeschirmt ist.
Der Begriff geht auf den englischen Physiker Michael Faraday (1791-1867) zurück. Die Quantität der Schirmwirkung wird über die Schirmdämpfung (zum Beispiel einer Abschirmung) erfasst.
Ein Faraday-Käfig führt unter anderem zu folgenden Effekten:
- im Innern eines idealen Faradayschen Käfigs ist kein Funkempfang (Radio, Mobilfunk) möglich.
- schlägt ein Blitz in einen Faradayschen Käfig, zum Beispiel ein Auto oder ein Flugzeug, ein, bleiben Personen im Innenraum ungefährdet.
- wird eine elektrische Entladung innerhalb eines Faradayschen Käfigs erzeugt, bleiben dagegen außenstehende Beobachter ungefährdet.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Erklärung
Man denke sich ein gefülltes Leitervolumen: der Leiterwerkstoff sorgt aufgrund seines geringen elektrischen Widerstandes (seiner hohen Leitfähigkeit) dafür, dass sich in ihm alle elektrischen Felder und Potentialunterschiede ausgleichen, es gibt also im Inneren kein Elektrisches Feld. Ein äußeres elektrisches Feld kann dies nicht ändern. Es bewegen sich im Leiter Ladungsträger, deren Stromstärke genau den Strömen gleicht, die von außen beispielsweise durch Influenz (Verschiebungsstrom), elektromagnetische Wellen oder elektrische Entladungen einwirken. Der elektrische Strom gleicht Potentialunterschiede im gesamten Leiter aus.
Diese Aussage gilt nicht nur für massive Leiter, sondern auch dann, wenn der Leiter hohl ist (Faradayscher Käfig). Im Inneren verschwindet das elektrische Feld 
, d. h. das elektrische Potential φ an der Oberfläche und im Inneren ist konstant.
Aufgrund
folgt aus
- φ = const.
Einfach ausgedrückt: Die leitfähige Hülle ist eine Äquipotentialfläche, die im Sprachgebrauch elektrische Wand genannt wird. Das Innere besitzt ebenfalls dieses Potential - es sei denn, im Inneren wird ein Feld erzeugt. Dieses kann wiederum nicht nach außen gelangen.
Bei nicht zu hochfrequenten Wechselfeldern kann ein Faradayscher Käfig statt aus einer geschlossenen Leiter-Wand auch aus einem Käfig aus Leiterstäben, -drähten oder aus einem Blech mit kleinen Öffnungen bestehen. Die Schirmdämpfung hängt mit der Maschenweite zusammen, die etwa 1/10 der Wellenlänge nicht überschreiten sollte.
[Bearbeiten] Anwendungen
Faradaysche Käfige werden häufig dort angewandt, wo Einflüsse von äußeren elektrischen oder elektromagnetischen Feldern die Funktionsweise eines Gerätes negativ beeinflussen können oder wo innere elektromagnetische Felder nicht nach außen gelangen sollen. Beispielsweise wird er zur Abschirmung von Messinstrumenten, elektrischen Leitungen (z. B. Koaxialkabel), oder Messräumen z.B. vor Sendern verwendet. Der Faradaysche Käfig ist dann z. B. das Gehäuse aus einem leitenden Material oder eine dünne metallische Folie, mit welcher der zu schützende Raum umhüllt ist.
Die Abschirmung kann auch ganze Räume umfassen (zum Beispiel EMV-Labore). Diese werden mit Folie ausgekleidet, alle hinein- und herausführenden Leitungen müssen vermieden oder gefiltert/geerdet sein (zusätzlich besitzen diese Räume im Inneren Funkwellen absorbierende Strukturen).
Bei Hochspannungs-Schutzräumen genügt ein Drahtgeflecht (Maschendraht).
Das Prinzip des Faraday-Käfigs findet auch Anwendung beim Blitzschutz für Gebäude, Hier ist er durch eine grobe Struktur aus Blitzableitern und geerdeten Gebäudeteilen angenähert.
Auch Autos und Flugzeuge mit einer leitfähigen Hülle sind näherungsweise Faraday-Käfige. Elektromagnetische Felder, deren Wellenlänge im Vergleich zu den elektrisch offenen Fugen und Spalten der Karosserie klein sind, werden allerdings nicht effizient geschirmt.
Kleine, oft aus Weißblech gefertigte Abschirmkäfige findet man um die Hochfrequenz-Baugruppen in elektronischen Geräten (Mobiltelefone, Radio- und Fernseh-Tuner, drahtlose Babyfone usw.).
[Bearbeiten] Versuch
Beim Versuch im Deutschen Museum in München (Bild oben) ist die Person im Inneren vor Wirkungen der elektrischen Entladung geschützt. Der Strom der Entladung fließt im Käfig an der Person vorbei und erzeugt im Inneren keinen Potentialunterschied. Das Innere bleibt frei von elektrischen Spannungen. Da die Leitfähigkeit des Käfigs wesentlich höher als diejenige der Person ist, fließt kein Strom durch den Körper.
[Bearbeiten] Abschirmung gegen magnetische Wechselfelder
Ein idealer Faradayscher Käfig schirmt auch magnetische Felder ab, da das Feld in ihm Induktionsströme erzeugt, die es kompensieren. Für Gleichfelder gilt das nur für einen ideal leitenden Hohlkörper (zum Beispiel eine supraleitende Hülle). Faradaysche Käfige aus nicht ferromagnetischem Metall können aufgrund ihrer endlichen Leitfähigkeit nur hochfrequente Wechselfelder abschirmen. Eine Voraussetzung dafür ist eine hinreichende Dicke des Metalls - sie muß größer als die Skintiefe der induzierten Ströme sein. Weiterhin darf ein solcher Käfig keine Schlitze aufweisen, die zur Unterbrechung der Induktionsströme führen.
Elektromagnetische Wellen durchdringen den Schirm vergleichsweise gut, wenn Schlitze im Schirm parallel zur Magnetfeldkomponente der Welle liegen. Die Schirmdämpfung läßt mit zunehmender Aperturgröße nach und wird gering, wenn die Wellenlänge der ankommenden elektromagnetischen Welle in der Größenordnung der Schlitzabmessungen liegt.
[Bearbeiten] Weblinks
