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.