Derfaradaysche Käfig (oderFaraday-Käfig) ist eine allseitig geschlossene Hülle aus einemelektrischen Leiter (z. B. Drahtgeflecht oder Blech), die alselektrische Abschirmung wirkt. Bei äußeren statischen oder quasistatischenelektrischen Feldern bleibt der innere Bereich infolge derInfluenz feldfrei. Bei zeitlich veränderlichen Vorgängen wieelektromagnetischen Wellen beruht die Abschirmwirkung auf den sich in der leitfähigen Hülle ausbildendenWirbelströmen, die dem äußeren elektromagnetischen Feld entgegenwirken. Statische oder langsam variierendeMagnetfelder (wie dasErdmagnetfeld) werden durch einen faradayschen Käfig nicht abgeschirmt.
Die Quantität der Schirmwirkung wird über dieSchirmdämpfung (zum Beispiel einerAbschirmung) erfasst.
Der Begriff geht auf den englischen PhysikerMichael Faraday zurück. Entdeckt wurde das Verschwinden des elektrischen Feldes innerhalb von Metallbehältern etwa ein Jahrhundert vor Faraday durchBenjamin Franklin.
Ein faradayscher Käfig führt unter anderem zu folgenden Effekten:
Die Abschirmung von elektrostatischen bzw.quasistationären elektrischen Feldern beruht auf der Wirkung derInfluenz. Wird eineelektrisch leitende Hülle, beispielsweise eine Hohlkugel, in ein von außen aufgebrachtes elektrostatisches FeldE gebracht, kommt es aufgrund der Kraftwirkung auf die in der Hülle frei beweglichen LadungenQ zur räumlichen Umverteilung der Ladungen an der Oberfläche, bis dietangential auf der Oberfläche stehende elektrische äußere Feldkomponente null wird und damit ein Ausgleich gefunden ist. Dadurch entspringt bzw. endet im statischen Fall derelektrische 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 desgaußschen Gesetzes lässt sich für die Normalkomponenten des elektrischen Feldes im leeren Außenraum unmittelbar über der Hülle:
und im Innenraum zu
bestimmen, mit der Flächenladungsdichte und derDielektrizitätskonstante.
Die leitfähige Hülle ist eineÄquipotentialfläche, 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 umgekehrtemVorzeichen 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 demVan-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. DieSchirmdämpfung hängt mit der Maschenweite zusammen, die etwa 1/10 der Wellenlänge nicht überschreiten sollte.
Ein idealer faradayscher Käfigschirmt auch hochfrequente Wechselfelder ab, weil auf der Oberfläche des KäfigsWirbelströme induziert werden, die dem äußeren Feld nach derLenzschen 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-ferromagnetischem Metall schirmen aufgrund ihrer endlichen Leitfähigkeit dann hochfrequente Wechselfelder ab, wenn die Metallschicht deutlich dicker als dieEindringtiefe 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. DieSchirmdämpfung lässt mit zunehmenderApertur nach und wird gering, wenn die Wellenlänge der ankommenden elektromagnetischen Welle in der Größenordnung der Schlitzabmessungen liegt.
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 zurAbschirmung 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 inEMV-Laboren (Absorberhalle).
Das Prinzip des faradayschen Käfigs findet auch Anwendung beimBlitzschutz für Gebäude. Hier ist er durch eine grobe Struktur aus Blitzableitern und geerdeten Gebäudeteilen angenähert.
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 AutoMobilfunk-Empfang möglich ist.
Kleine, oft ausWeißblech gefertigte Abschirmkäfige findet man um die Hochfrequenz-Baugruppen in elektronischen Geräten (Mobiltelefone, Radio- und Fernseh-Tuner, drahtlose Babyfone usw.).
DerMikrowellenherd 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 eineResonanzdichtung, die nur für eine ganz bestimmte Wellenlänge wirksam ist.
Das metallische Gehäuse einesMagnetrons 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 alsKoronaring bezeichnet und wird imHochspannungsbereich beispielsweise beiIsolatoren undÜberspannungsableitern (Varistoren) eingesetzt. Im Ringinneren ist die Feldstärke sehr gering, deshalb kann dort auch an Ecken und Spitzen wie dem Montagegeschirr keine verlustbringendeFeldemission auftreten.
