Faraday-Käfig

(Miniblitz und Spielzeugauto)

Im Auto ist man tatsächlich vor Blitzen geschützt (F17)! Um das zu verstehen, muss man drei Puzzlesteine zusammenlegen: Influenz, Äquipotenzialflächen und den Energiesatz. Zunächst schauen wir uns an, was mit einem Leiter im elektrischen Feld passiert. Erinnere dich: In Leitern sind nur die Elektronen beweglich.

Die Elektronen des Leiters verschieben sich so lange, bis die Außenseite eine Äquipotenzialfläche wird (a bis c). Situation b ist zur besseren Verdeutlichung, tritt aber in Wirklichkeit nicht auf, weil sich die Elektronen schon verschieben, während man den Leiter ins Feld bringt, d und e sind vergrößerte Ausschnitte von b bzw. c. Animation zur Ladungsverschiebung

Die elektrische Kraft wirkt tangential zu den Feldlinien (d) und verschiebt die Elektronen im Leiter. Dadurch verändert sich aber das elektrische Feld und mit diesem wiederum die Feldlinien. Die Elektronen werden so weit verschoben, bis alle Feldlinien senkrecht zur Leiteroberfläche stehen (d und e). Dann ist Endstation, weil die Elektronen den Leiter ja nicht verlassen können (F16). Diese Ladungsverschiebung nennt man übrigens Influenz (F15).

Es fließt also für kurze Zeit Strom, bis sich außen eine Äquipotenzialfläche einstellt (e). Diese ist ja dadurch gekennzeichnet, dass sie normal auf alle Feldlinien steht. Dass das Innere nun feldfrei ist, kann man mit dem Energiesatz erklären. Wäre das nicht so, könnte man aus dem Nichts Energie erzeugen, und das geht ja leider nicht.

Weil die Außenseite eine Äquipotenzialfläche ist, könnte man in obiter Abb.e den Innenraum des Leiters weglassen, ohne dass sich das Feld verändert. Der Leiter könnte sogar aus einer Art Gitter bestehen und wäre innen immer noch feldfrei. So ein geschlossenes Gitter nennt man einen Faraday-Käfig. Auch jedes Auto und jeder Zug schützen daher vor einem Blitzeinschlag.

Ein „Miniblitz“ schlägt in ein Spielzeugauto ein. Die elektrische Feldstärke dieser Anordnung beträgt 800.000 V/m. Die Ladungen fließen über die Karosserie ab und überspringen die Gummireifen. Der Innenraum des Käfers bleibt feldfrei und sicher.

Auch in Flugzeugen sind die Menschen geschützt. Allerdings fließt in der Flugzeug-Außenhaut Strom, und dieser könnte im schlimmsten Fall die Bordelektronik lahm legen. Moderne Flugzeuge sind dagegen aber sehr gut abgesichert. Je größer die Löcher des Käfigs werden, desto schlechter wird der Schutz. Ein völlig offenes Cabrio schützt daher kaum.