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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.
Alle vier Fälle sind dieselbe Physik — nur die Blickrichtung wechselt: Bei Auto und Koaxkabel soll etwas draußen bleiben, bei der Mikrowelle soll das Feld drinnen bleiben. Der Aufzug zeigt die Kehrseite: Dieselbe Abschirmung, die schützt, kann auch stören.
4Der Ablauf der AbschirmungAFB II
Bringen Sie die Vorgänge in die Reihenfolge, in der sie im Käfig ablaufen.
Verschiebe die Zeilen mit den Pfeilen (oder mit den Pfeiltasten, wenn eine Zeile den Fokus hat), bis die Reihenfolge stimmt.
1Der Metallkasten wird in ein äußeres elektrisches Feld gebracht.
2Das äußere Feld übt auf die frei beweglichen Elektronen im Metall eine Kraft aus.
3Die Elektronen wandern zu einer Seite — dort entsteht ein negativer, gegenüber ein positiver Ladungsüberschuss.
4Die getrennten Oberflächenladungen bauen ihrerseits ein Feld auf, das dem äußeren entgegengerichtet ist.
5Die Ladungen verschieben sich so lange weiter, bis Gegenfeld und äußeres Feld im Inneren gleich groß sind.
6Im gesamten Innenraum heben sich beide Felder auf — dort ist E = 0.
Entscheidend ist der vorletzte Schritt: Die Ladungsverschiebung stoppt nicht willkürlich, sondern genau dann, wenn im Metall keine Kraft mehr auf die Elektronen wirkt. Das ist der Fall, sobald sich die Felder aufheben — die Abschirmung regelt sich also selbst ein. Deshalb funktioniert sie bei jeder äußeren Feldstärke gleich gut, und deshalb dauert sie beim Blitzschlag nur Sekundenbruchteile.
5Aussagen prüfenAFB II
Entscheiden Sie bei jeder Aussage, ob sie stimmt.
Fünf Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann startest du die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Die beiden hartnäckigsten Fehlvorstellungen stecken in Aussage 2 und 5. Beide erklären die Abschirmung mit etwas Zusätzlichem — einem Erdungskabel oder einer Isolierung. Tatsächlich braucht der Effekt nichts davon: Er entsteht allein daraus, dass sich im Leiter Ladungen frei verschieben können. Aussage 4 ist die wichtigste Grenze des Modells, an die man in Klausuren gern erinnert wird.
6Was hält der Käfig auf?AFB II
Kreuzen Sie an, ob der jeweilige Einfluss abgeschirmt wird oder weiterwirkt.
Klicke in jeder Zeile die zutreffende Zelle an — ein zweiter Klick nimmt die Markierung zurück.
| Einfluss von außen | wird abgeschirmt | wirkt im Inneren weiter |
|---|---|---|
| äußeres statisches elektrisches Feld | ||
| Feld einer geriebenen Kunststoffplatte dicht neben dem Käfig | ||
| statisches Magnetfeld eines Hufeisenmagneten | ||
| Mikrowellenfeld an einem engmaschigen Türgitter | ||
| Funkwellen durch ein großes Loch in der Hülle | ||
| Störfeld auf ein Koaxkabel mit Schirmgeflecht |
Die Tabelle trennt zwei Fragen, die oft verwechselt werden: Welche Art Feld liegt vor, und wie dicht ist die Hülle. Zeile 3 scheitert an der Art — ein Magnetfeld interessiert sich nicht für verschobene Ladungen. Zeile 5 scheitert an der Dichtheit: Physikalisch wäre die Hülle geeignet, aber eine große Öffnung durchbricht die Abschirmung. Beides muss stimmen, sonst bleibt der Innenraum nicht feldfrei.
7Im Innenraum gilt …AFB II
Ein geschlossener, nicht geerdeter Metallkasten steht in einem starken äußeren Feld.
Wählen Sie alle Aussagen aus, die für seinen Innenraum zutreffen.Mehrere Antworten sind richtig. Markiere alle zutreffenden und klicke dann auf „Prüfen“.
Die vorletzte Option ist die eigentliche Prüffrage: Der Käfig macht das äußere Feld nicht verschwinden, er hält es nur aus seinem Hohlraum heraus. Außen bleibt das Feld bestehen — es wird durch die influenzierten Ladungen sogar in der Nähe der Hülle verformt. Wer sich das klarmacht, versteht auch, warum Blitzschutz nur den Innenraum schützt, nicht die Umgebung des Fahrzeugs.
8Der Blitz trifft das AutoAFB II
Untersuchen Sie Schritt für Schritt, was beim Blitzeinschlag in ein Auto geschieht.
Spiele den Ablauf Schritt für Schritt durch: Was passiert als Nächstes? Nur die richtige Karte bringt dich weiter.
Der Fall zeigt, dass der Schutz an zwei Bedingungen hängt: Das Blech muss leiten, und es muss den Innenraum weitgehend umschließen. Die verbreitete Erklärung „die Gummireifen isolieren“ scheitert schon an der Größenordnung — bei mehreren Millionen Volt überschlägt ein Blitz mühelos wenige Zentimeter Gummi. Was rettet, ist die Karosserie, nicht der Reifen.
9Wirkt diese Hülle als Käfig?AFB III
Ein engmaschiger, nicht geerdeter Metallkorb ohne Öffnungen steht in einem äußeren elektrischen Feld.
Bestimmen Sie über den Entscheidungsbaum, ob der Innenraum feldfrei bleibt.Beantworte die Fragen des Entscheidungsbaums mit Ja oder Nein und schau, wo du herauskommst.
Der Baum macht sichtbar, worauf es wirklich ankommt — und was nicht abgefragt wird: Nach der Erdung fragt keine Verzweigung, weil sie für die Feldfreiheit belanglos ist. Entscheidend sind stattdessen das Material (leitend), die Feldart (elektrisch) und die Geometrie (geschlossen). Fehlt eine dieser drei Bedingungen, endet man in einem der drei Nein-Zweige.
10Fehler im SchülerheftAFB III
Finden Sie die falschen Zeilen in diesem Heftauszug und klicken Sie sie an.
In diesem Text stecken Fehler. Klicke genau die falschen Zeilen an — die richtigen musst du stehen lassen.
Die drei Fehler zeigen dieselbe Denkfigur: den Käfig als eine Art Filter oder Schwamm, der Feld verschluckt und bei zu viel Andrang überläuft. Das Modell ist ein anderes — der Käfig erzeugt sein eigenes Gegenfeld, das genau so stark ausfällt wie nötig. Deshalb gibt es keine Sättigung, keine Restwirkung im Inneren und keinen Einfluss auf Felder anderer Art.