30 Tage kostenlos testen:
Mehr Spaß am Lernen.

Überzeugen Sie sich von der Qualität unserer Inhalte.

Faraday'scher Käfig 04:54 min

Textversion des Videos

Transkript Faraday'scher 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
  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 mehr als 6 Jahren
  2. Ok ;p

    Von Finn.B, vor mehr als 6 Jahren
  3. Ist ein bisschen schwer:P

    Von Samsam87, vor mehr als 6 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 mehr als 6 Jahren

Faraday'scher Käfig Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Faraday'scher 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.

  • 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.

  • 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 $E=10.000\,\frac{V}{m}$.