Faraday-Käfig

Der Faradaysche Käfig (auch Faraday-Käfig) ist eine allseitig geschlossene Hülle aus einem elektrischen Leiter (z. B. Drahtgeflecht oder Blech), deren Innenraum dadurch bei tiefen Frequenzen von äußeren elektrischen Feldern oder elektromagnetischen Wellen abgeschirmt ist. Bei sehr hohen Frequenzen, zum Beispiel von Licht oder ionisierender Strahlung wirken andere Mechanismen der Abschirmung.

Faradayscher Käfig im Deutschen Museum, besetzt mit einem Mitarbeiter des Museums

Der Begriff geht auf den englischen Physiker Michael Faraday (1791–1867) zurück. Die Quantität der Schirmwirkung wird über die Schirmdämpfung (zum Beispiel einer Abschirmung) erfasst.

Ein Faradayscher Käfig führt unter anderem zu folgenden Effekten:

• Im Innern eines idealen Faradayschen Käfigs ist kein Funkempfang (Radio, Mobilfunk) möglich.
• Schlägt ein Blitz in einen Faradayschen Käfig, zum Beispiel ein Auto oder ein Flugzeug, ein, bleiben Personen im Innenraum ungefährdet, weil die elektrische Feldstärke im Innenraum erheblich geringer ist als im Außenraum. Das trifft nicht zu für die unmittelbare Nähe großer Öffnungen. Dort gelangen Ausläufer des externen Feldes in das Innere.
• Wird eine elektrische Entladung innerhalb eines Faradayschen Käfigs erzeugt, bleiben dagegen außenstehende Beobachter ungefährdet.

Abschirmung elektrostatischer Felder

Man denke sich ein gefülltes Leitervolumen: der Leiterwerkstoff sorgt aufgrund seines geringen elektrischen Widerstandes (seiner hohen Leitfähigkeit) dafür, dass sich in ihm alle elektrischen Felder und Potentialunterschiede ausgleichen, es gibt also im Inneren kein elektrisches Feld. Ein äußeres elektrisches Feld kann dies nicht ändern. Es bewegen sich im Leiter Ladungsträger, deren Stromstärke genau den Strömen gleicht, die von außen beispielsweise durch Influenz (Verschiebungsstrom), elektromagnetische Wellen oder elektrische Entladungen einwirken. Der elektrische Strom gleicht Potentialunterschiede im gesamten Leiter aus.

Eine vollkommene Feldfreiheit im Innenraum gibt es streng genommen also nur bei statischen Feldern, bei tiefen Frequenzen mit guter Näherung. Diese Aussage gilt nicht nur für massive Leiter, sondern auch dann, wenn der Leiter hohl ist (Faradayscher Käfig). Im Inneren verschwindet das elektrische Feld $\vec{E}$, d. h. das elektrische Potential φ an der Oberfläche und im Inneren ist konstant. Aufgrund

$\vec{E} = -\operatorname{grad} \phi$

folgt aus

$\vec{E} = 0$

$\!\,\phi = \mathrm{const.}$

Die leitfähige Hülle ist eine Äquipotentialfläche, die im Sprachgebrauch elektrische Wand genannt wird. Das Innere besitzt ebenfalls dieses Potential – es sei denn, im Inneren wird ein Feld erzeugt. Dieses kann wiederum nicht nach außen gelangen.

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.

Animation zur Reaktion eines faradayschen Käfigs auf ein äußeres elektrisches Feld; Darstellung der Ladungsverschiebung (Erklärung in Influenz#Ladungstrennung_in_elektrischen_Leitern).

Abschirmung von Wechselfeldern (Elektrodynamik)

Ein idealer Faradayscher Käfig schirmt auch hochfrequente Wechselfelder ab, weil auf der Oberfläche des Käfigs Induktionsströme entstehen, die das Feld kompensieren und ihm so nach der Lenzschen Regel entgegenwirken. Faradaysche Käfige aus nicht-ferromagnetischem Metall schirmen aufgrund ihrer endlichen Leitfähigkeit dann hochfrequente Wechselfelder ab, wenn die Metallschicht deutlich stärker als die Eindringtiefe der induzierten Ströme ist. Weiterhin sollte ein solcher Käfig keine Schlitze aufweisen, die zur Unterbrechung der Induktionsströme führen. Elektromagnetische Wellen durchdringen den Schirm vergleichsweise gut, wenn Schlitze im Schirm parallel zur Magnetfeldkomponente der Welle liegen. Die Schirmdämpfung lässt mit zunehmender Aperturgröße nach und wird gering, wenn die Wellenlänge der ankommenden elektromagnetischen Welle in der Größenordnung der Schlitzabmessungen liegt.

Anwendungen

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 von Messinstrumenten, elektrischen Leitungen (z. B. Koaxialkabel), 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 EMV-Laboren.

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.

Auch Autos und Flugzeuge mit einer leitfähigen Hülle wirken wie Faradaysche Käfige. Elektromagnetische Felder, deren Wellenlänge im Vergleich zu den elektrisch offenen Fugen und Spalten der Karosserie klein sind, werden allerdings nicht effizient geschirmt.

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

Der Mikrowellenofen ist ein Beispiel für einen Faradayschen Käfig, bei dem gewissermaßen Innen und Außen vertauscht ist. Der metallene Garraum schirmt die Umgebung von der starken Mikrowellenstrahlung innerhalb des Ofens ab. An der Tür befindet sich meist eine Resonanzdichtung, die nur für eine ganz bestimmte Wellenlänge wirksam ist.

Das metallische Gehäuse eines Magnetrons 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 an den Enden von Hochspannungsisolatoren eingesetzt. Im Ringinneren ist die Feldstärke sehr gering, deshalb kann dort auch an Ecken und Spitzen keine verlustbringende Feldemission auftreten.

Versuch

Beim Versuch im Deutschen Museum in München (Bild oben) ist die Person im Inneren vor Wirkungen der elektrischen Entladung geschützt. Der Strom der Entladung fließt im Käfig an der Person vorbei und erzeugt im Inneren keinen Potentialunterschied. Das Innere bleibt frei von elektrischen Spannungen. Da die Leitfähigkeit des Käfigs wesentlich höher als diejenige der Person ist, fließt kein Strom durch den Körper.

Weblinks

• Video: Versuch "Faradayscher Käfig" im Deutschen Museum München
• Video: Physikshow Uni Bonn