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Der '''faradaysche Käfig''' (oder '''Faraday-Käfig''') ist eine allseitig geschlossene Hülle aus einem [[Leiter (Physik)|elektrischen Leiter]] (z. B. Drahtgeflecht oder Blech), die als [[Abschirmung (Elektrotechnik)|elektrische Abschirmung]] wirkt. Bei äußeren statischen oder quasistatischen [[Elektrisches Feld|elektrischen Feldern]] bleibt der innere Bereich infolge der [[Influenz]] feldfrei. Bei zeitlich veränderlichen Vorgängen wie [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetischen Wellen]] beruht die Abschirmwirkung auf den sich in der leitfähigen Hülle ausbildenden [[Wirbelstrom|Wirbelströmen]], die dem äußeren elektromagnetischen Feld entgegenwirken. Statische oder langsam variierende [[Magnetfeld]]er (wie das [[Erdmagnetfeld]]) werden durch einen faradayschen Käfig nicht abgeschirmt.
[[Datei:Cage de Faraday.jpg|mini|Faradayscher Käfig mit Versuchspersonen im feldfreien Innenraum]]

Die Quantität der Schirmwirkung wird über die [[Schirmdämpfung]] (zum Beispiel einer [[Abschirmung (Elektrotechnik)|Abschirmung]]) erfasst.

== Geschichte ==
{{Belege fehlen}}
Der Begriff geht auf den englischen Physiker [[Michael Faraday]] zurück. Entdeckt wurde das Verschwinden des elektrischen Feldes innerhalb von Metallbehältern etwa ein Jahrhundert vor Faraday durch [[Benjamin Franklin]].

== Effekte ==
Ein faradayscher Käfig führt unter anderem zu folgenden Effekten:
*{{Anker|vonInnen}} Wird eine elektrische Entladung innerhalb eines faradayschen Käfigs erzeugt, bleiben dagegen außenstehende Beobachter ungefährdet. Dieses Prinzip wird bei der metallischen Auskleidung in [[Hochspannungslabor]]en ausgenutzt.

== Abschirmung elektrostatischer Felder ==
[[Datei:Faraday cage.gif|mini|Animation zur Ladungsverschiebung bei einem faradayschen Käfig]]
Die Abschirmung von elektrostatischen bzw. [[Quasistatischer Prozess|quasistationären]] elektrischen Feldern beruht auf der Wirkung der [[Influenz]]. Wird eine [[elektrische Leitfähigkeit|elektrisch leitende]] Hülle, beispielsweise eine Hohlkugel, in ein von außen aufgebrachtes elektrostatisches Feld ''E'' gebracht, kommt es aufgrund der Kraftwirkung <math>\vec{F} = Q \cdot \vec{E}</math> auf die in der Hülle frei beweglichen Ladungen ''Q'' zur räumlichen Umverteilung der Ladungen an der Oberfläche, bis die [[Tangente|tangential]] auf der Oberfläche stehende elektrische äußere Feldkomponente null wird und damit ein Ausgleich gefunden ist. Dadurch entspringt bzw. endet im statischen Fall der [[Elektrischer Fluss|elektrische Fluss]] an der Oberfläche der Hülle, womit das Innere der Hülle feldfrei bleibt. Diese Schirmwirkung ist nicht an eine bestimmte Form der Hülle gebunden und tritt bei beliebig geformten Hohlkörpern auf, sofern sie elektrisch leitfähig sind.

Die Dämpfung ist bei einer komplett geschlossenen leitenden Hülle im statischen Fall ideal und unendlich groß, bei quasistationären Feldern ist dies mit guter Näherung erfüllt. Mit Hilfe des [[Gaußsches Gesetz|gaußschen Gesetzes]] lässt sich für die Normalkomponenten des elektrischen Feldes im leeren Außenraum unmittelbar über der Hülle:

:<math>\vec{E}_{na} = \frac{\rho_f}{\varepsilon_0}</math>

und im Innenraum zu

:<math>\vec{E}_{ni} = 0</math>

bestimmen, mit <math>\rho_f</math> der Flächenladungsdichte und <math>\varepsilon_0</math> der [[Permittivität|Dielektrizitätskonstante]].

Die leitfähige Hülle ist eine [[Äquipotentialfläche]], die im Sprachgebrauch elektrische Wand genannt wird. Wesentlich ist, dass die Schirmwirkung nur gegen äußere elektrische Felder wirkt. Ein elektrischer Fluss, der durch eine von der Hülle isolierte Ladungsansammlung im Inneren der Hülle entspringt, die davon getrennte Ladung mit umgekehrtem [[Vorzeichen (Zahl)|Vorzeichen]] befindet sich im Außenbereich, führt so auch im Außenraum zu einem elektrischen Feld. Besteht hingegen eine elektrische Verbindung zwischen den ladungstragenden Innenbereichen und der Hülle, werden die elektrische Ladungen zur Oberfläche verschoben und der innere Bereich bleibt feldfrei. Dieses Prinzip der Ladungsverschiebung wird bei manchen Hochspannungsgeneratoren wie dem [[Van-de-Graaff-Generator]] zur Ladungsspeicherung und zur Erzeugung von hohen elektrischen Spannungen genutzt.

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.

== Abschirmung von Wechselfeldern (Elektrodynamik) ==
Ein idealer faradayscher Käfig [[Abschirmung (Elektrotechnik)|schirmt]] auch hochfrequente Wechselfelder ab, weil auf der Oberfläche des Käfigs [[Wirbelströme]] induziert werden, die dem äußeren Feld nach der [[Lenzsche Regel|Lenzschen Regel]] entgegenwirken. Die Schirmwirkung ist in diesem Fall aber nicht ideal, sondern durch endliche Schirmdämpfungen und Eindringtiefen in den Schirm gekennzeichnet.

Faradaysche Käfige aus nicht-[[Ferromagnetismus|ferromagnetisch]]em Metall schirmen aufgrund ihrer endlichen Leitfähigkeit dann hochfrequente Wechselfelder ab, wenn die Metallschicht deutlich dicker als die [[Skineffekt|Eindringtiefe]] der induzierten Ströme ist.

Schlitze führen zur Unterbrechung der Induktionsströme im Schirm. Elektromagnetische Wellen durchdringen den Schirm vergleichsweise gut, wenn Schlitze im Schirm parallel zur Magnetfeldkomponente der Welle liegen. Die [[Schirmdämpfung]] lässt mit zunehmender [[Apertur]] nach und wird gering, wenn die Wellenlänge der ankommenden elektromagnetischen Welle in der Größenordnung der Schlitzabmessungen liegt.

== Anwendungen ==
[[Datei:Faraday cage - FISL 14 - 2013-07-03.ogv|mini|]]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 (Elektrotechnik)|Abschirmung]] von Messinstrumenten, elektrischen Leitungen 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 ganze Räume umfassen, zum Beispiel geschirmte Räume als elektromagnetisch beruhigte Prüfumgebung in [[Elektromagnetische Verträglichkeit|EMV]]-Laboren ([[Absorberhalle]]).

Das Prinzip des faradayschen Käfigs findet auch Anwendung beim [[Blitzschutz]] für Gebäude. Hier ist er durch eine grobe Struktur aus Blitzableitern und geerdeten Gebäudeteilen angenähert.
[[Datei:Lightning to a car.jpg|mini|Mit Menschen besetztes Auto als faradayscher Käfig, Versuch in einer Hochspannungshalle]]
Auch Autos, Eisenbahnzüge und Flugzeuge mit einer leitfähigen Hülle wirken wie faradaysche Käfige. Elektromagnetische Felder, deren Wellenlängen im Vergleich zu den elektrisch offenen Fugen und Spalten der Karosserie klein sind, werden allerdings nicht effizient geschirmt. Dies erklärt, warum im Auto [[Mobilfunk]]-Empfang möglich ist.

Kleine, oft aus [[Weißblech]] gefertigte Abschirmkäfige findet man um die Hochfrequenz-Baugruppen in elektronischen Geräten (Mobiltelefone, Radio- und Fernseh-Tuner, drahtlose Babyfone usw.).

Der [[Mikrowellenherd]] ist ein Beispiel für einen faradayschen Käfig, bei dem gewissermaßen Innen und Außen vertauscht sind. Der metallene Garraum schirmt die Umgebung von der starken Mikrowellenstrahlung innerhalb des Ofens ab. An der Tür befindet sich meist eine [[Hohlleiter#Anschlüsse und Verbindungen eines Hohlleiters|Resonanzdichtung]], die nur für eine ganz bestimmte Wellenlänge wirksam ist.

Das metallische Gehäuse eines [[Magnetron]]s sorgt dafür, dass das hochenergetische elektromagnetische Feld im Inneren des Magnetrons bleibt. Ein geringer Teil des Feldes wird durch den Antennenanschluss nach außen geleitet.

Die vereinfachte, zweidimensionale Ausführung eines faradayschen Käfigs wird als [[Koronaring]] bezeichnet und wird im [[Hochspannung]]sbereich beispielsweise bei [[Isolator (Elektrotechnik)|Isolator]]en und [[Überspannungsableiter]]n (Varistoren) eingesetzt. Im Ringinneren ist die Feldstärke sehr gering, deshalb kann dort auch an Ecken und Spitzen wie dem Montagegeschirr keine verlustbringende [[Feldemission]] auftreten.

== Literatur ==
*{{Literatur|Autor = [[Adolf J. Schwab]]|Titel = Elektromagnetische Verträglichkeit|Verlag = Springer | Jahr = 1996 | Auflage = 4. | ISBN = 3-540-60787-0 }}
*{{Literatur|Autor=Richard P. Feynman, Robert B. Leigthon, Matthew Sands|Titel=[[Feynman-Vorlesungen über Physik|The Feynman Lectures on Physics]]|Band=2|Kapitel=5 Application of Gauss’ Law |Verlag=Addison-Wesley |Ort=Reading, Massachusetts|Datum=1964|Online=https://www.feynmanlectures.caltech.edu/II_05.html|Sprache=en|Kommentar=insbesondere die Abschnitte 5-8, 5-9 und 5-10}}
* M. Faraday: ''On Induction.'' #1173, 1174. In: ''Experimental Researches in Electricity. Eleventh Series.'' In: ''[[Philosophical Transactions of the Royal Society]].'' Band 128, 1838, S. 1–40 ([[doi:10.1098/rstl.1838.0002]]).

== Weblinks ==
{{Commonscat|Faraday cages|Faradayscher Käfig}}
* [https://www.biologic.net/topics/the-faraday-cage-what-is-it-and-how-does-it-work/ Der Faradaysche Käfig: Was ist er und wie funktioniert er?]

{{Normdaten|TYP=s|GND=4326084-6}}

{{SORTIERUNG:Faradayscher Kafig}}
[[Kategorie:Elektrostatik]]
[[Kategorie:Elektromagnetische Entstörung]]
[[Kategorie:Michael Faraday]]
[[Kategorie:Wikipedia:Artikel mit Video]]
[[Kategorie:Physikalisches Demonstrationsexperiment]]

Faradayscher Käfig - Versionsgeschichte

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