AFL Physik
Der Faradaysche Käfig
Ihr wisst doch alle bestimmt, dass man vor einem Blitzeinschlag sicher ist, wenn man in einem Auto sitzt. Das liegt daran, dass Autokarosserien Faradaysche Käfige sind. Was das ist, werde ich euch heute in meiner AFL erklären.
Zuerst einmal meine Gliederung.
Als erstes stelle ich euch den Entdecker des Faradayschen Käfigs, Michael Faraday vor.
Danach bekommt ihr ein paar allgemeine Infos zum Käfig, und ich erkläre euch das elektrische Feld, was für den späteren Verlauf wichtig ist.
Dann erläutere ich die Wirkung des Käfigs und die Anwendungsbereiche.
Zum Schluss mache ich dazu noch einen kleinen Versuch und, natürlich noch die Quellen.
Michael Faraday
Michael Faraday wurde am 22.9.1791 in Newington in England geboren und starb am 25.8.1867 in Hampton Court Green und war ein Naturforscher und Experimentalphysiker. Abgesehen vom Faradayschen Käfig um den es heute geht entdeckte er noch die elektromagnetische Rotation, bei der sich einstromdurchflossener Leiter unter dem Einfluss eines
Dauermagneten
um seine eigene Achse dreht und die elektromagnetische Induktion, auf der noch heute Generatoren und Elektromotoren basieren.
Dadurch legte er einen Grundstein zur Herausbildung der Elektroindustrie. Außerdem führte er viele wichtige Experimente zur Elektrizität durch, verfasste die Grundgesetze der Elektrolyse und entdeckte gemeinsam mit anderen Wissenschaftlern neue chemische Elemente, da er sich in seiner Karriere zunächst mit der Chemie beschäftigte.
Nachdem er sich in England durch seine Experimente und Artikel berühmt gemacht hatte, wurde er 1824 in die Royal Society, die Gelehrtengesellschaft zur Wissenschaftspflege Englands aufgenommen, was für jeden Wissenschaftler eine riesige Ehre war. Insgesamt führte er 30000 Experimente durch und veröffentlichte 450 wissenschaftliche Artikel.
Den Großteil seiner Experimente führte er in der Royal Institution durch, wo er seine Karriere begann. Dort entdeckte er auch den Faradayschen Käfig. Im Hörsaal der Institution baute er 1936 einen großen würfelförmigen Holzrahmen auf, bespannte ihn mit Kupferdraht und verband ihn mit einem elektrostatischen Generator.
Dann begab er sich ins Innere des Würfels um mögliche, in der Luft induzierte Elektrizität zu messen. Der Raum war jedoch völlig frei davon. Der Faraday.....[Volltext lesen]
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Bitte Dokument downloaden. Man unterscheidet zwischen homogenen und inhomogenen Feldern. Verlaufen die Feldlinien parallel zueinander mit dem gleichen Abstand, so ist das Feld homogen. Verlaufen die Feldlinien ungleichmäßig, so spricht man von einem inhomogenen Feld. Ein solches Feld kann auch von nur einem geladenen Objekt ausgehen. (Bild).
Das nennt sich Punktladung. Verschiedene Felder sind auch verschieden stark. Diese Stärke nennt man Feldstärke. Sie hängt davon ab, wie groß der Ladungsunterschied und der Abstand zwischen den Objekten ist. Je größer der Ladungsunterschied, desto stärker das Feld, je größer der Abstand, desto schwächer ist es.
Um die Feldstärke E zu berechnen teilt man die Spannung U durch den Abstand L. Ein Nachteil des elektrischen Feldes ist, dass es elektrische Schaltungen um es herum beeinflusst.
Davor schützt der Faradaysche Käfig.
Wie genau das funktioniert erkläre ich euch jetzt.
Wirkung des Käfigs im elektrischen Feld
Ein Faradayscher Käfig besteht, wie ihr wisst aus Metall, das heißt er ist leitfähig. Er enthält positiv und negativ geladene Teilchen. Bewegt man nun diesen Käfig in ein elektrisches Feld, dann werden die negativ geladenen Teilchen vom positiv geladenen Objekt angezogen und umgekehrt.
Dadurch wird der eigentliche Käfig geladen. Da dadurch im inneren des Käfigs eigentlich ein weiteres elektrisches Feld entsteht, jedoch genau umgekehrt zum Äußeren, heben sich die Feldlinien und somit das Feld im Inneren auf. Im Innenraum ist somit die elektrische Feldstärke E=0. Alle Ladungen befinden sich am Außenrand.
Diesen gesamten Vorgang nennt man Ladungsverschiebung oder Influenz. Somit ist der Käfig abgeschirmt und von jeglichen Ladungseinflüssen geschützt.
Wi.....
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Bitte Dokument downloaden. Wie schon gesagt werden bei Autos aber auch bei Flugzeugen Faradaysche Käfige angewandt, um vor Blitzen zu schützen. Diese Käfige jedoch schirmen andere Arten von Feldern als das elektrische, wie zum Beispiel das elektromagnetische Feld, auf dem Mobilfunk basiert, nicht effizient ab.
Dessen Wellen sind nämlich kleiner als die Fugen und Spalten in der Karosserie. Das erklärt auch, wieso man dann im Auto mit dem Handy telefonieren kann. Auch die allgemeinen Blitzschutzanlagen von Gebäuden basieren auf dem Käfig. Die grobe Struktur aus Blitzableitern und geerdeten Gebäudeteilen wirkt dann beim Blitzeinschlag ähnlich wie die Karosserie eines Autos.
Die Mikrowelle ist ein weiteres Beispiel. Der innere Garraum ist ein metallener Käfig, der die starke Mikrowellenstrahlung von Innen abhält. Die Türen von Mikrowellen sind deshalb immer mit einer bestimmten Dichtung abgedichtet.
Auch in Handys und anderen elektronischen Geräten wird der Käfig verwendet. Um die Hochfrequenz-Bauteile von solchen Geräten wie zum Beispiel drahtlosen Babyfonen gibt es immer kleine Abschirmkäfige, um die hochfrequente Strahlung abzuhalten.
Jetzt machen wir noch einen kleinen Versuch, um die Wirkung des Käfigs zu beweisen. Der bezieht sich zwar nicht auf die Wirkung im elektrischen Feld, sondern auf die Abschirmung von elektromagnetischen Wellen im Mobilfunknetz aber er macht die Effizienz des Käfigs klar.
Wenn es was mit Mobilfunknetz zu tun hat, dann heißt das logischerweise, dass wir dazu Handys benutzen müssen :D. Ich habe im Vorfeld eine Ausnahme-Genehmigung bekommen, um jetzt im Unterricht Handys zu benutzen. Also dann bräuchte ich jetzt einen Freiwilligen oder eine Freiwillige, der bereit wäre, sein Handy bereitzustellen.
Oookay :D Also ……, wenn du jetzt so nett wärst, dein Handy natürlich erstmal anzumachen u.....
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Quellen & Links
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