Faradayscher Käfig

Der faradaysche Käfig ist Name und Metapher für den elektrischen Effekt, dass das Innere eines Leiters in einem elektrischen Feld immer feldfrei ist. Der Begriff geht zurück auf den englischen Physiker Michael Faraday.

Der Faradaykäfig-Effekt ist verantwortlich für Phänomene wie diese:

• Schlägt ein Blitz vor einem oder in ein Auto ein, so trifft es nicht die Insassen des Autos.
• Wird ein Blitz innerhalb einer Kugel aus Draht erzeugt, so trifft es nicht die außenstehenden Zuschauer.

Versuch

Man nehme einen elektrischen Leiter und verdicke ihn. Anschließend erzeuge man in der Verdickung ein Loch. Für das nicht leitende Loch gilt, dass alle elektrischen Effekte, wie

• elektrischer Strom
• elektromagnetische Wellen

im Loch unabhängig von Effekten außerhalb des Lochs und auch unabhängig von Effekten im Leiter auftreten. Der das Loch umgebende Leiter schirmt die äußeren Effekte ab.

Die vollständige Ummantelung durch einen Leiter kann auch durch ein Geflecht von Leitern (wie z.B. Käfiggitter - daher der Name) angenähert werden, wenn der Elektrische Leitfähigkeitsunterschied zwischen Leiter und Nichtleiter genügend groß ist.

Man kann einen solchen Versuch im Deutschen Museum täglich live miterleben.

Erklärung

Anschaulich lässt sich der Grund für diesen Effekt folgendermaßen erklären:

• Elektrische Effekte breiten sich bevorzugt in Leitern aus, da dort der elektrische Widerstand wesentlich kleiner ist.
• Bei einem geschlossenen räumlichen Gebilde (Kugel, Quader) ist die Außenhaut stets größer als die Innenhaut. Da sich gleichnamige elektrische Ladungen abstoßen, sammeln sie sich an solchen Stellen an, an denen sie den größten Abstand zueinander haben, und das ist die äußere Schicht des Faraday-Käfigs.

Man kann sich das zweidimensional so vorstellen:
Man denke sich einen radialen Leiterquerschnitt mit hohlem Innenraum:

• Der Leiter ist makroskopisch betrachtet elektrisch neutral, es gibt also kein E-Feld

Jetzt wird ein äußeres elektrisches Feld angelegt

• dieses E-Feld hat zur Folge, dass in diesem Leiter Influenz stattfindet(positive Ladungsträger bewegen sich in Feldrichtung, negative bewegen sich antiparallel zum Feld; geschieht vorzugsweise in Leitern)

Analog verhält es sich in 3 Dimensionen.
Bei nicht zu hochfrequenten Wechselfeldern genügt es auch, wenn man statt eines geschlossenen Leiters einen Käfig aus Leitermaschen hat.

Anwendungen

Faradaysche Käfige werden beispielsweise benutzt, um das Austreten elektromagnetischer Wellen aus elektrotechnischen Betriebsmitteln zu verhindern. Hierbei wird der Raum, indem sich die elektrische Anlage befindet, mit Draht (z.B.: feinem Maschendraht) ausgekleidet oder mit einem Blechkasten umhüllt.