Dies funktioniert auch umgekehrt: Eingehende elektromagnetische Wellen werden durch die sich bewegenden Ladungen im Faradayschen Käfig ausgelöscht. Ihr Telefon weiß nicht, dass eine SMS oder ein Anruf eingeht.
Konzentrieren wir uns kurz darauf, warum die Materialien des Käfigs wichtig sind. Ein Faradayscher Käfig besteht aus einem elektrischen Leiter, Metallen wie Kupfer, Aluminium und Stahl. In einem leitenden Material können Atome eines ihrer Elektronen mit benachbarten Atomen teilen. Das bedeutet, dass sich ein Elektron größtenteils frei von einem Atom zum nächsten bewegen kann. Das ist bei einem Isolator, einem Material wie Holz, Kunststoff oder Glas, nicht der Fall. Bei einem Isolator bleiben diese Elektronen an ihren ursprünglichen Atomen hängen und können sich nicht bewegen.
Da Leiter Ladungen bewegen können, können einige coole Dinge passieren. Wenn nämlich ein elektrisches Feld auf ein leitendes Material trifft, verschiebt es Ladungen, sodass das elektrische Nettofeld Null ist.
Hier ist ein Gedankenexperiment: Stellen Sie sich vor, ich hätte eine Kugel aus einem leitenden Metall und füge einige zusätzliche Elektronen hinzu. (Diese zusätzlichen Ladungen könnten von überall kommen, aber das häufigste Beispiel aus dem wirklichen Leben ist eine elektrostatische Wechselwirkung, etwa wenn man einen Ballon an seinem Haar reibt: Elektronen bewegen sich von Ihrem Haar zum Ballon. Diese Wechselwirkung ist auch das, was bewirkt (Sie sind ein Schock, wenn Sie Ihre Socken aus dem Trockner nehmen, was lässt Ihre Haare im Winter zu Berge stehen, warum funktioniert eine N95-Maske und was bringt ein Leidener Glas zum Leuchten?)
Nehmen wir an, ich füge meiner Kugel 100 Elektronen hinzu, indem ich sie direkt aus dem Trockner mit elektrisch geladenen Socken berühre. Diese Elektronen erzeugen alle elektrische Felder, die die anderen Elektronen antreiben. Dadurch werden sie alle auseinandergedrückt und landen auf der Kugeloberfläche. (Sie können nicht einfach von der Kugel springen.) So würde es aussehen:
Video: Rhett Allain
Aber hier ist der ganz wichtige Teil: Nun sind diese Elektronen auf der Oberfläche der Kugel so angeordnet, dass das gesamte elektrische Feld an jedem Punkt innerhalb der Kugel Null ist. (Es hat Null sein. Wenn das Feld nicht Null wäre, würde es die freien Elektronen und jede Ladung, die sich bewegen kann, antreiben würde Bewegen Sie sich in Richtung der Oberfläche der Kugel.) Mit einem elektrischen Feld von Null können Sie keine elektromagnetische Welle mehr haben. Die Kugel ist jetzt ein Faradayscher Käfig.
Was ist mit dem Magnetfeld – wird das auch aufgehoben? Nicht auf die gleiche Weise wie das elektrische Feld. Das Problem ist, dass es keine magnetische Ladung gibt. Dies bedeutet, dass es nicht möglich ist, die magnetischen Ladungen zu trennen, um das Magnetfeld im Inneren des Leiters aufzuheben. Aber keine Sorge, denken Sie daran, dass eine elektromagnetische Welle sowohl ein sich änderndes elektrisches Feld benötigt Und ein sich änderndes Magnetfeld. Wenn Sie das elektrische Feld aufheben, entsteht keine elektromagnetische Welle.
Echte Faradaysche Käfige
Ein Faradayscher Käfig muss keine Kugel sein. Es kann praktisch jede beliebige Form mit einem hohlen Innenraum haben. (Da die Ladungen auf der Oberfläche der Form landen, spielt es keine Rolle, ob sie hohl ist.) In der Praxis können Sie Ihr Telefon jedoch nicht einfach damit abdecken beliebig elektrischen Leiter und erwarten, dass er wie ein Faradayscher Käfig wirkt. Außerdem sind zwei Faktoren wichtig: die Dicke des Materials und seine Festigkeit. Beginnen wir mit der Dicke.
Ein Parameter eines Faradayschen Käfigs ist seine „Hauttiefe“. Auf diese Weise lässt sich die Mindestdicke eines Materials berechnen, damit es EM-Wellen wirksam unterdrücken kann. Die Eindringtiefe hängt vom spezifischen Widerstand des Materials (wie schwierig es für die Elektronen ist, sich zu bewegen), der Frequenz der EM-Welle und auch den magnetischen Eigenschaften des Materials ab. Das bedeutet, dass Sie für längere Wellenlängen (wie Radiowellen) dickeres Material in Ihrem Käfig benötigen würden.