Der Faraday-Käfig

Du verbindest mit einem Käfig wohl eher die Haltung oder den Transport von Tieren. Ein Käfig ist ein Raum oder ein Behältnis, das auf allen Seiten geschlossen ist. Und das ist ein Auto ja tatsächlich auch. Bei Kraftfahrzeugen spricht man allerdings von dem Faraday-Käfig oder auch Faradayscher Käfig. Entscheidend für diese Art von Käfig ist das Material. Ein Faraday-Käfig besteht aus Metall, denn Metalle können besonders gut elektrischen Strom leiten. Und das ist die Eigenschaft, die ihn von einem ganz normalen Käfig unterscheidet. Er ist nämlich elektrischer Leiter und schirmt so seinen Innenraum ab und schützt vor äußeren elektrischen Feldern und Blitzeinschlägen. Dieses Phänomen stellte 1836 schon der englische Physiker Michael Faraday fest. Deshalb ist dieser besondere Käfig auch nach ihm benannt.

So funktioniert das Ganze

Elektrische Felder werden durch winzige Teilchen erzeugt, die positiv oder negativ geladen sind. In dem elektrischen Feld entsteht dadurch eine Seite mit positiver Ladung und eine mit negativer Ladung. Befindet sich nun ein Metallkäfig in so einem Feld, wird dieser ebenfalls elektrisch geladen. Denn in dem Käfig befinden sich dieselben Teilchen, die durch die Kraft im Feld angezogen werden. Negative Teilchen wandern zu der positiv geladenen Seite und umgekehrt. Dadurch entstehen zwei gegensätzliche elektrische Felder in der Umgebung und im Käfig, die sich gegenseitig einfach aufheben. Im Innenraum des Körpers herrscht also kein elektrisches Feld, er ist von jeglicher Ladung abgeschirmt. Das Ganze funktioniert auch andersherum. Wird innerhalb eines Faradayschen Käfigs eine elektrische Ladung erzeugt, so dringt davon nichts nach außen. Für diesen Effekt ist es nicht wichtig, ob es sich um einen vollständig von Metall umschlossenen Raum handelt. Ein Metallgitter reicht schon aus, um den elektrischen Strom über die Gitterstäbe abzuleiten und so den Innenraum zu schützen.

Faraday-Käfige in unserem Alltag

Auch Autos sind Faradaysche Käfige, denn ihre Karosserie besteht aus Metall. Sitzt du also bei einem Gewitter in einem Auto, kann dir nichts passieren, auch wenn ein Blitz einschlägt. Dieser entlädt seinen Strom in die Oberfläche das Autos und weil das Metall besonders gut leitet, bahnt er sich seinen Weg durch die Karosserie und entlädt sich direkt in den Boden. Die elektrische Ladung, die für den Menschen eigentlich gefährlich werden könnte, gelangt also gar nicht erst in den Innenraum des Autos. Auch bei Cabrios reicht zur Abschirmung schon das Metallgestänge aus, mit dem das Verdeck gehalten wird.

Faraday-Käfige werden überall da benutzt, wo äußere elektrische Felder die Funktion eines Gerätes beeinträchtigen können oder wo innere Felder nicht nach außen gelangen sollen. Neben Autos schirmen natürlich auch Flugzeuge die Passagiere ab. Oder auch bei elektrischen Geräten wie Mobiltelefonen und Fernsehern oder der Mikrowelle wird das Prinzip des Faraday-Käfigs zur Abschirmung der Umgebung genutzt.

Beitragsfoto: Adobe Stock // marcorubino

Ein Naturphänomen

Gewitter kommen vor allem im Sommer sehr oft vor. Es muss dafür heiß und schwül sein, die Luft muss also eine hohe Feuchtigkeit haben. Dann heizt die Sonne nicht nur bei dir ein, sondern auch der Erdboden heizt so stark auf, dass Wasser verdunstet. Das bedeutet, dass eine große Menge Wasser aus dem Boden sich in gasförmiges Wasser verwandelt. Durch diese feuchtwarme Luft heizt sich die Luftschicht über dem Boden auf. Weil die warme Luft immer leichter ist als kalte Luft, steigt die warme Luft auf. Je höher sie dabei kommt, desto mehr kühlt sie wieder ab. Dadurch entsteht eine sogenannte Kumuluswolke: Durch die Abkühlung wird aus dem gasförmigen Wasser wieder flüssiges Wasser. Es regnet aber noch nicht. Die kleinen Wassertröpfchen sind noch so leicht, dass sie schweben können.

Gewitter
Wenn im Sommer ein Gewitter droht, türmen sich dunkle Wolken am Himmel auf

Blitze erzeugen Strom wie 250.000 Fernseher

Je nachdem, wie feucht die Luft ist und wie warm es ist, steigt das kondensierte Wasser noch weiter auf bis es so stark abkühlt, dass die Tröpfchen gefrieren. In einer Höhe von circa zwölf bis 18 Kilometern entsteht eine dachförmige Wolke, die aus winzigen Eiskristallen besteht. Die Wolke türmt sich auf. Dabei reiben die Wasserteilchen aneinander und laden sich elektrisch auf. Die Wolke ist nun oben kälter als unten. Die Eiskristalle sammeln sich deshalb im oberen Teil der Wolke als positive Ladung, und die Tropfen sammeln sich im unteren Teil als negative Ladung.

Zwischen positiv und negativ entsteht eine elektrische Spannung, die sich in Form von Blitzen entweder innerhalb der Wolke oder am Boden entlädt. Dabei fließt elektrischer Strom und der leuchtet, weil er mehrere tausend Grad heiß ist. Der Strom ist außerdem extrem stark, denn er  kann bis zu 100.000 Ampére erreichen. Das ist so stark wie der Strom von rund 250.000 Fernsehern.

Lichtgeschwindigkeit und höllische Hitze

Doch warum donnert es jetzt auch noch? Da die Luft um den Blitz etwa 30.000 Grad heiß ist, dehnt sie sich aus. Das löst eine Druckwelle aus, die sich mit einer Schallgeschwindigkeit von circa 343,2 Metern pro Sekunde fortbewegt. Diese gewaltige Kraft nehmen wir am Erdboden als Donnergeräusch wahr. Diese Schallgeschwindigkeit ist zwar sehr schnell, aber die Lichtgeschwindigkeit ist noch viel schneller. Der Donner kommt daher grundsätzlich immer erst nach dem Blitz – die Schallgeschwindigkeit hat keine Chance.

Du kannst ausrechnen wie weit ein Gewitter entfernt ist: Zähle die Sekunden zwischen Blitz und Donner, teile sie durch drei und heraus kommt die Kilometerzahl, die dir sagt, wie weit das Gewitter entfernt ist.

Gewitter
1, 2, 3 … du kannst zählen, wie weit das Gewitter entfernt ist

Aber Vorsicht!

Dieses Naturspektakel ist unglaublich spannend zu beobachten. Doch Blitze sind auch sehr gefährlich: Wenn ein Blitz einen Menschen trifft, kann das durch die elektrische Ladung nicht nur sehr schwer verletzen, sondern auch tödlich sein. Du musst vor Gewittern deshalb aber keine Panik haben. Du solltest nur wissen, wie und wo du bei einem Gewitter vor Blitzen geschützt bist.

Grundsätzlich gilt bei einem Gewitter: Blitze suchen sich immer den kürzesten und den am besten leitenden Weg zum Boden. Das heißt, du solltest dich beispielsweise von Bäumen und von leitenden Materialien fernhalten. Wenn du im Freibad bist und die Wolken werden ganz dunkel, dann solltest du das Freibad bald verlassen. Wasser leitet den Strom der Blitze. Wenn du dich in der Nähe eines offenen Gewässers befindest, ist das gefährlich. Auch solltest du dich von Gegenständen aus Metall fernhalten, denn das zieht Blitze an. Auch freie Felder können gefährlich sein.

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Ein Blitzableiter zieht den Blitz an und leitet die elektrische Ladung in den Boden; Bild: www.shutterstock.com / borzywoj

Das Auto als Blitzableiter

Am allersichersten bist du aber in Gebäuden. Damit der Blitz nicht einschlagen kann, haben die allermeisten Häuser heute einen Blitzableiter. Er zieht die Blitze zunächst an, um sie dann in den Boden abzuleiten. Deshalb ist er auf den Dächern der Häuser angebracht und hat eine Spitze aus einem Metalldraht. Dieses Metall muss so stark sein, dass es von einem Blitz nicht beschädigt werden kann. Über die sogenannte Fangleitung führt die elektrische Ladung in den Boden und trifft dort auf eine Erdleitung aus Platten und Kupfernetz.

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Beim Auto verteilen sich die elektrischen Ladungen des Blitzes auf der Oberfläche des Metallkäfigs

Ähnlich kann auch ein Auto als Blitzableiter fungieren und ist bei Gewittern  deshalb sehr sicher.  Autos wie die der Daimler AG sind von Metall umrahmt, das den Blitz ableitet. Der englische Physiker Michael Faraday fand einmal heraus, dass sich elektrische Ladungen auf der Oberfläche des „Metallkäfigs“ verteilen, ohne in den Innenraum durchzudringen. Man nennt diese Metallumrahmung deshalb auch „Faradayschen Käfig“. Wenn man vom Blitz getroffen wird, fließt der Strom über diesen Käfig in die Erde ab. Trotz dieser Sicherheit sollte man sich bei einem Gewitter nur im stehenden Auto aufhalten, da die Gefahr besteht, dass die Reifen platzen.