Wie funktioniert ein Faradayscher Käfig

Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass Sie irgendwann in Ihrem Leben einen erheblichen Teil Ihrer Zeit in einem Faradayschen Käfig verbracht haben. Vielleicht haben Sie sogar einen in Ihrer Küche. Überrascht?

Erstmals 1836 von einem ehrwürdigen englischen Wissenschaftler erfunden Michael Faraday Sie sind in unserer modernen technologischen Welt allgegenwärtig geworden. Von der Sicherheit in der Luft bis zur Wahrung von Staatsgeheimnissen sind sie einfache, aber sehr leistungsfähige Werkzeuge.

Im folgenden Artikel werden wir einen kurzen Blick darauf werfen, was sie sind und wie sie tatsächlich funktionieren.

Was ist ein Faradayscher Käfig?

Ein Faradayscher Käfig, manchmal auch als Faraday-Schild bekannt, ist ein Gehäuse, mit dem Dinge vor elektromagnetischen Feldern sowohl statisch als auch nicht statisch geschützt werden.

statische Elektrizität ist der Ort, an dem die Ladungen ruhen, daher der Name. Sie sammeln sich tatsächlich auf der Oberfläche eines bestimmten Isolators an.

Nicht statische oder aktuelle Elektrizität Hier bewegen sich Elektronen innerhalb eines Leiters. Faradaysche Käfige können ihren Inhalt oder sogar die Insassen davor schützen, die Auswirkungen beider zu spüren.

Sie können aus einer durchgehenden Abdeckung aus leitendem Material oder aus einem feinen Netz aus leitendem Material hergestellt werden.

Faradaysche Käfige sind nach ihrem Erfinder, dem englischen Wissenschaftler Michael Faraday, benannt. Er hat sie 1836 erfunden.

Sie reichen in Design und Größe von einfachen Maschendrahtzäunen bis hin zu fein aussehenden feinen Metallgittern.

Unabhängig von ihrem genauen Aussehen nehmen alle Faradayschen Käfige elektrostatische Aufladungen oder sogar bestimmte Arten von Käfigen auf. elektromagnetische Strahlung und verteilen Sie sie an der Außenseite des Käfigs.

Wann wurde der Faradaysche Käfig erfunden?

In den 1800er Jahren Michael Faraday hatte seinen beträchtlichen Verstand in die Untersuchung von Elektrizität gesteckt. Bald stellte er fest, dass ein elektrischer Leiter wie ein Metallkäfig beim Laden diese Ladung nur auf seiner Oberfläche zu zeigen schien.

Es schien überhaupt keine Auswirkungen auf das Innere des Leiters zu haben.

Er machte sich daran, dies in größerem Maßstab zu demonstrieren, und entwickelte 1836 ein ehrgeiziges Experiment.

Während des mittlerweile legendären Experiments Michael Faraday hat einen Raum mit Metallfolie ausgekleidet . Dann ließ er Hochspannungsentladungen von einem elektrostatischen Generator auf die Außenseite des Raums treffen.

Er benutzte dann ein spezielles Gerät namens an Elektroskop ein Gerät, das elektrische Ladungen erkennt, um seine Hypothese endgültig zu beweisen. Wie er vermutet hatte, war der Raum völlig frei von elektrischer Ladung.

Er bestätigte auch, dass nur die äußere Oberfläche der Metallfolie überhaupt Strom leitete.

Faraday bestätigte später seine Beobachtungen mit einem anderen berühmten Experiment - seinem Eiseimerexperiment . Während dieses Experiments hat er ein früheres Experiment von Benjamin Franklin dupliziert.

Michael senkte eine geladene Messingkugel in einen Metallbecher. Wie erwartet bestätigte das Experiment Franklins frühere und seine eigenen Beobachtungen.

Benjamin Franklin verdient auch etwas Anerkennung

Obwohl diese Art von Apparat heute den Namen von Michael Faraday trägt Benjamin Franklin sollte für seine Beiträge vor fast 90 Jahren anerkannt werden.

1755 Herr Franklin beobachtete ein ähnliches Phänomen. Er senkte eine ungeladene Korkkugel auf einem Seidenfaden durch eine Öffnung in einer elektrisch geladenen Metalldose.

Er bemerkte, dass "der Korken nicht von der Innenseite der Dose angezogen wurde, wie es von außen gewesen wäre, und obwohl er den Boden berührte, wurde beim Herausziehen festgestellt, dass er durch diese Berührung nicht elektrifiziert geladen wurde, wie es durch Berühren der Außenseite gewesen wäre. Die Tatsache ist einzigartig. "

Er konnte auch zeigen, dass der Korken von der elektrostatischen Aufladung der Dose betroffen war, indem er ihn in der Nähe der Außenseite der Dose baumelte. Die Korkkugel wurde sofort zur Oberfläche der Dose gezogen.

Dies, wie zu erwarten war, hat Franklin damals mystifiziert. Er gab sogar seine Verwirrung zu ein Kollege in einem Brief .

"Sie benötigen den Grund; ich weiß es nicht. Vielleicht entdecken Sie ihn, und dann sind Sie so gut, dass Sie ihn mir mitteilen."

Während er den Effekt Jahre vor Faraday entdeckte, würde Franklin niemals einen Grund für seine merkwürdigen Beobachtungen entwickeln. Das würde dem großen Michael Faraday Jahrzehnte später überlassen bleiben.

Wie funktionieren Faradaysche Käfige?

Einfach ausgedrückt, Faradaysche Käfige verteilen elektrostatische Ladung um ihr Äußeres. Sie wirken daher als Schutzschild für alles in ihnen.

Sie sind in dieser Hinsicht eine Form eines Hohlleiters, wobei die elektromagnetische Ladung nur auf der Außenfläche des Käfigs verbleibt.

Aber in Wirklichkeit ist es wie viele andere Dinge etwas komplizierter.

Es sei denn, Sie kennen das Konzept von Strom und Leiter Vielleicht möchten Sie dies zuerst auffrischen, bevor Sie fortfahren. Dieses Video bietet eine großartige kleine Auffrischung zu diesem Thema.

Im Wesentlichen verfügen Leiter über ein Reservoir frei beweglicher Elektronen, die es ihnen ermöglichen, Elektrizität zu leiten. Wenn keine elektrische Ladung vorhanden ist, weist der Leiter mehr oder weniger die gleiche Anzahl von sich vermischenden positiven und negativen Partikeln auf.

Wenn sich ein externes elektrisch geladenes Objekt dem Käfig nähert, trennen sich die positiven Kerne und freien negativen Elektronen Partikel im Leiter plötzlich.

Wenn das sich nähernde Objekt positiv geladen ist, schwärmen frei bewegliche Elektronen darauf zu.

Dadurch bleibt der Rest des Käfigmaterials relativ frei von negativ geladenen Elektronen, was zu einer positiven Ladung führt. Wenn das sich nähernde Objekt negativ geladen ist, tritt das Gegenteil auf und die Elektronen werden abgestoßen, aber der Nettoeffekt ist der gleiche, genau umgekehrt.

Dieser Vorgang wird aufgerufen elektrostatische Induktion und es erzeugt ein entgegengesetztes elektrisches Feld zu dem des externen Objekts.

Dieser Prozess hebt das externe elektrische Feld im gesamten Käfig effektiv auf. Dieses Phänomen isoliert das Innere des Käfigs vom externen elektrischen Feld.

Wofür werden Faradaysche Käfige verwendet?

Wie Sie sich vorstellen können, sind diese Käfige in einer Vielzahl von Anwendungen sehr praktisch. Es ist wahrscheinlich, dass Sie in letzter Zeit tatsächlich in einem Käfig waren.

Die bekanntesten Beispiele sind Automobile und Flugzeuge. Sowohl die Rümpfe eines Flugzeugs als auch eines Autos fungieren als Faradaysche Käfige für ihre Insassen.

Während dies für Autos weniger ein Problem darstellt, treten in der Luft häufig Lichtschläge auf. Dank der Flugzeuge Aluminium außen In diesem Fall bleiben sowohl die empfindliche Avionik der Flugzeuge als auch die Passagiere von unschätzbarem Wert völlig unversehrt.

Unglaublich passend MRT-Scanräume sind effektiv Nachahmungen von Faradays berühmtem Experiment von 1836. Sie müssen so aufgebaut sein, um zu verhindern, dass externe Hochfrequenzsignale zu den Daten des MRT-Geräts hinzugefügt werden.

Wenn sie den Raum durchdringen dürfen, kann dies die resultierenden Bilder ernsthaft beeinträchtigen. Trotzdem sind die Bediener normalerweise darin geschult, HF-Störungen in dem unwahrscheinlichen Fall zu erkennen, dass der Faradaysche Käfig beschädigt wird.

Mikrowellenherde sind ein weiteres bemerkenswertes Beispiel für den alltäglichen Gebrauch von Faradayschen Käfigen. Im Gegensatz zu anderen Anwendungen sind sie jedoch so konzipiert, dass sie umgekehrt arbeiten und die Mikrowellenstrahlung im Ofen halten.

Sie können tatsächlich einen Teil des Käfigs auf dem transparenten Fenster des Mikrowellenofens sehen.

Viele Gebäude Wie sich herausstellt, handelt es sich auch um zufällige Faradaysche Käfige. Die Verwendung von Metallbewehrungsstäben oder Drahtgeflechten kann bei drahtlosen Internetnetzen und Handysignalen zu Chaos führen.

Eine weitere interessante Anwendung von Faradayschen Käfigen wird vom Militär und anderen Organisationen verwendet. Faradaysche Käfige werden häufig verwendet, um wichtige IT- und andere elektrische Geräte vor EMP-Angriffen und Blitzeinschlägen zu schützen.

Sie werden auch häufig in Situationen eingesetzt, in denen Abhörgeräte blockiert werden müssen. Politiker und andere hochrangige Besprechungen entscheiden sich häufig dafür, sensible Themen in speziellen abgeschirmten Räumen mit Faradayschen Käfigdesign zu erörtern.

Sind Faradaysche Käfige 100% wirksam?

Faradaysche Käfigwirksamkeit wird durch das Design, die Größe und die Auswahl der Baumaterialien der Käfige definiert. Wenn es sich um eine Netzkonstruktion handelt, schirmen sie ihre Innenräume ab, wenn der Leiter dick genug ist und die Löcher im Netz kleiner als die Wellenlänge der Strahlung sindfraglich.

So erstaunlich Faradaysche Käfige und Schilde auch sind, sie sind alles andere als perfekt. Sie bieten im Großen und Ganzen keine 100% ige Isolierung gegen elektromagnetische Wellen.

Während längere Wellenlängen wie Radiowellen dazu neigen, stark vom Käfig gedämpft oder blockiert zu werden, können Nahfeld-Hochleistungsfrequenzübertragungen wie HF-RFID normalerweise die Abschirmung durchdringen.

Allerdings bieten feste Käfigkonstruktionen im Gegensatz zu Maschenformen tendenziell eine bessere Abschirmung über einen breiteren Frequenzbereich.

Mikrowellenherde sind ein hervorragendes Beispiel für die Tatsache, dass Faradaysche Käfige nicht zu 100% als EM-Abschirmungen wirksam sind. Die meisten verhindern nicht, dass die gesamte Mikrowellenstrahlung aus dem Gerät austritt.

Dies ist jedoch kein Grund zur Sorge. Die Strahlung ionisiert nicht nur nicht, sondern die Mikrowellen werden vor ihrer Freigabe für den allgemeinen Verkauf umfangreichen Tests unterzogen.

Die FDA lässt beispielsweise eine geringe Leckage aus Mikrowellenherden zu. Dies ist derzeit auf eingestellt.5 mW / cm² . Werbung