14.11 Der Faraday'sche Käfig

Quelle: ➕ Themenpool (Influenz · vgl. Thema 6 §6.3)

Ein geschlossener Leiter (eine Metallhülle oder ein Metallgitter) schirmt das Innere gegen äußere elektrische Felder ab — im Inneren ist das elektrische Feld null (${\overrightarrow{E}}_{\text{innen}}=0$). Diese Anordnung heißt Faraday'scher Käfig.

✎ Wie funktioniert die Abschirmung? — Mechanismus über die Influenz (Schritt für Schritt).

1. Legt man ein äußeres elektrisches Feld an, übt es auf die frei beweglichen Leitungselektronen im Metall eine Kraft aus (§14.4).
2. Die Elektronen verschieben sich so lange, bis sie sich an der Außenfläche des Leiters ansammeln (eine Seite wird negativ, die andere positiv) — das ist Influenz (Ladungstrennung im Leiter).
3. Diese verschobenen Ladungen bauen im Inneren ein eigenes Feld auf, das dem äußeren exakt entgegengerichtet und gleich groß ist.
4. Beide Felder heben sich im Inneren genau auf → ${\overrightarrow{E}}_{\text{innen}}=0$. Die Umverteilung läuft, bis im Leiter selbst keine Kraft mehr auf die Elektronen wirkt (Gleichgewicht). Überschussladungen sitzen daher immer außen auf der Oberfläche, nie im Inneren.

✎ Wichtig: Auch ein Gitter (Löcher!) reicht. Der Käfig muss nicht geschlossen-massiv sein — ein Metallgitter genügt, solange die Maschen klein gegen die Feldänderung sind. Deshalb wirkt auch ein durchlöchertes Blech (z. B. die Mikrowellentür) als Schirm. Hinweis: Ein Faraday-Käfig schirmt elektrische (und hochfrequente elektromagnetische) Felder ab — statische Magnetfelder dringen hingegen durch (dafür braucht es anderes Material).

Anwendungen:

• Auto / Flugzeug sind bei Blitzschlag sicher — der Blitzstrom fließt außen über die Metallhülle ab, im Inneren bleibt das Feld null (die Insassen sind geschützt, nicht die Gummireifen schützen, wie oft fälschlich angenommen).
• Mikrowellenofen-Tür: Das Lochgitter in der Scheibe hält die Mikrowellen (eine EM-Welle) im Garraum — die Löcher sind klein gegen die Wellenlänge, Licht (viel kleinere Wellenlänge) kommt aber durch → man kann hineinsehen.
• Abgeschirmte Kabel (Koaxialkabel) und Gehäuse von Messgeräten: Die Metallummantelung hält Störfelder fern.
• MRT-Raum: Der ganze Raum ist als Käfig ausgeführt, damit äußere Funk-/Störfelder die empfindliche Messung nicht verfälschen.