Faraday-Käfig: Übungen – Physik Grundkurs

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Übungsaufgaben

Reflexionsaufgaben gelten als erledigt, sobald du die Antwort aufklappst und mit deiner Überlegung vergleichst.

1Abschirmung in WortenAFB I

Vervollständigen Sie den Grundtext zur Wirkung des Faraday-Käfigs.

Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt). Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.

Ein Faraday-Käfig ist ein geschlossener, hohler Leiter. Ein äußeres Feld verschiebt darin die frei beweglichen Elektronen, sodass sich die Ladungen an der Oberfläche trennen — dieser Vorgang heißt . Die getrennten Oberflächenladungen bauen ein auf, das dem äußeren Feld genau entgegengerichtet ist. Die Verschiebung läuft so lange, bis die Feldstärke im gesamten Innenraum ist. Trifft ein Blitz ein Auto, verteilt sich die Ladung deshalb auf der und fließt außen zur Erde ab. Eine ist dafür nicht nötig.

Der Kern des Satzes ist die Reihenfolge: erst Influenz, dann Gegenfeld, dann Feldfreiheit. Die Feldfreiheit ist also kein Materialtrick, sondern das Ergebnis einer Ladungsverschiebung, die sich selbst genau so weit einstellt, bis die Wirkung im Inneren aufgehoben ist. Deshalb genügt eine leitende, geschlossene Hülle — eine Erdung braucht der Käfig dafür nicht.

2Feldstärke im InnenraumAFB I

Ein geschlossener Metallkasten steht in einem äußeren Feld der Stärke \(E_{\text{außen} }=8{,}0\,\mathrm{\frac{kV}{m} }\).

Geben Sie die elektrische Feldstärke im Inneren des Kastens an.

Trage den Zahlenwert der Feldstärke im Innenraum ein (Einheit \(\mathrm{\frac{V}{m} }\)).

Die Antwort ist 0 — und zwar unabhängig davon, wie groß das äußere Feld ist. Genau das ist die Aussage des Merksatzes: Der Käfig schwächt das Feld nicht bloß um einen Faktor ab, sondern hebt es im Innenraum vollständig auf. Wer hier 8000 \(\mathrm{\frac{V}{m} }\) oder „ein bisschen weniger als außen“ einträgt, denkt noch in Dämpfung statt in Kompensation durch das Gegenfeld.

3Käfige im AlltagAFB I

Finden Sie zu jedem Alltagsbeispiel die passende Wirkung.

Decke immer zwei Karten auf. Passen sie zusammen, bleiben sie liegen — sonst drehen sie sich wieder um.

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Alle vier Fälle sind dieselbe Physik — nur die Blickrichtung wechselt: Bei Auto, Flugzeug und Koaxkabel soll etwas draußen bleiben, bei der Mikrowelle soll das Feld drinnen bleiben.