Denken Sie an den „Faradayschen Käfigeffekt“. Er kann Ihr Leben retten, wenn Sie beim Autofahren in eine solche Situation geraten!

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Yiyan Science Team

Hersteller: China Science Expo

Kürzlich erregte der Vorfall, bei dem ein Auto auf der Straße in einem Stromkabel hängen blieb, große öffentliche Aufmerksamkeit. In dieser Situation entschied sich der Fahrer nicht, aus dem Auto auszusteigen, sondern fuhr weiter. Manchen Leuten erscheint dieses Verhalten unverantwortlich, andere wiederum sagen: „Glücklicherweise war die Person, die gehängt wurde, ein kluger Mensch.“

Warum ist das so? Befürchtet der Fahrer nicht, nach dem Durchtrennen der Kabel Schadensersatz zahlen zu müssen? Was ist in dieser Situation der richtige Ansatz?

Auf den Boden gefallene Drähte

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Die Rettung Ihres Lebens ist wichtiger als der Verlust von Geld

Wenn ein Auto während der Fahrt auf der Straße zerkratzt wird, halten die Leute normalerweise an und steigen aus, um nachzusehen. In manchen Situationen ist es jedoch nicht möglich, einfach so aus dem Auto auszusteigen, und Sie müssen möglicherweise sogar eine Strecke fahren. Wenn Sie beispielsweise während der Fahrt gegen ein Stromkabel stoßen, steigen Sie nicht blind aus dem Auto aus, um nachzusehen.

Stromleitungen über der Stadt

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Die meisten in Städten verlegten Leitungen stehen unter Strom, manche davon sind sogar Hochspannungskabel. Die Spannung von Hochspannungskabeln liegt im Allgemeinen über 10 kV, manche können sogar 750 kV erreichen. Die Spannung, der der menschliche Körper standhalten kann, überschreitet im Allgemeinen 36 V nicht, und ein Strom von weniger als 5 mA, der kurzzeitig durch den Körper fließt, verursacht im Allgemeinen keine ernsthaften Schäden am menschlichen Körper. Bei längerem Kontakt mit elektrischem Strom oder nassem Körper besteht jedoch die Gefahr eines Stromschlags. Daher liegt selbst die in Städten übertragene niedrigere Spannung (220 V) weit außerhalb der Toleranz des menschlichen Körpers.

Wenn Ihr Auto gegen eine Stromleitung prallt, ist es tatsächlich sicherer, im Auto zu bleiben. Obwohl die Fahrzeughülle aus Metall besteht, bietet sie aufgrund des Faradayschen Käfigeffekts einen sicheren „Platz“ für den menschlichen Körper.

Autometallkarosserie

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Ein Faradayscher Käfig ist ein geschlossener Raum aus Metall oder leitfähigem Material , benannt nach dem Wissenschaftler Michael Faraday. Das Prinzip besteht darin, dass bei Einwirkung eines externen elektrischen Felds auf den Faradayschen Käfig die Ladungen auf der Oberfläche des Käfigs neu verteilt werden, wodurch die Wirkung des externen elektrischen Felds neutralisiert wird. Zu diesem Zeitpunkt ist das elektrische Feld im Käfig nahezu Null, wodurch der Raum im Käfig vor dem Einfluss des externen elektrischen Felds geschützt wird.

Im Jahr 2012 trug ein amerikanischer Zauberer einen speziell angefertigten Mantel und Helm aus Metall, die mehr als zehn Kilogramm wogen. Er ertrug erfolgreich 72 Stunden lang kontinuierliche Elektroschocks bei einer Hochspannung von 1 Million Volt, und sein Körper blieb nahezu unversehrt.

Wenn ein Auto auf ein Kabel trifft, fungiert die Metallkarosserie daher als Faradayscher Käfig und verhindert wirksam, dass Strom durch das Auto fließt und die Personen im Auto verletzt.

Faradayscher Käfig-Experiment

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Bekommt eine Person einen Stromschlag, wenn sie mit der Hand Metallteile im Auto berührt? Eigentlich besteht kein Grund zur Sorge. Selbst wenn Sie mit der Hand das Metall im Auto berühren, sind Sie im Auto sicher, da das elektrische Potenzial des menschlichen Körpers dem der Karosserie entspricht.

Der Faradaysche Käfigeffekt ist im Alltag weit verbreitet

Wenn Sie an einem regnerischen Tag keinen geeigneten Platz im Haus finden, um Gewittern auszuweichen, ist es relativ sicher, im Auto zu bleiben. Selbst wenn das Auto vom Blitz getroffen wird, fungiert die Karosserie als „Schutzschild“, um den Innenraum des Autos vor den Auswirkungen des Blitzes zu schützen. Darüber hinaus wird der durch Blitzeinschläge erzeugte Strom auch durch Regen und nasse Reifen auf den Boden übertragen, sodass der Fahrzeuginnenraum ein sicherer Ort zum Schutz vor Blitzeinschlägen ist.

Tatsächlich dient der Faradaysche Käfig nicht nur der Verhinderung von Stromschlägen!

Donner und Blitz

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Wenn Sie sich die Struktur des Mikrowellenherds genau ansehen, werden Sie auf der Glastür eine Schicht aus Metallgitter erkennen. Wofür wird es angewendet? Mikrowellenherde nutzen zum Erhitzen von Nahrungsmitteln hauptsächlich Mikrowellen. Die Metallschale in ihrer Struktur und das Metallgitter an der Tür bilden zusammen einen geschlossenen Metallraum, der einem Faradayschen Käfig entspricht.

Diese Konstruktion unterstützt nicht nur die Ausbreitung der Mikrowellen im Ofen und verbessert so die Heizleistung und die Gleichmäßigkeit der Erwärmung der Speisen, sondern, was noch wichtiger ist, die elektromagnetische Abschirmwirkung der Metallhülle begrenzt die Mikrowellen im Ofen, wodurch eine mögliche Schädigung des menschlichen Körpers durch Mikrowellen wirksam verhindert werden kann.

Interner Aufbau eines Mikrowellenherds

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Aufzüge sind die häufigsten Faradayschen Käfige in unserem täglichen Leben und sie sind auch „Käfige“ mit relativ guter Abschirmwirkung. Als wir den Aufzug betreten, ist das Handysignal schwach und der „Übeltäter“ ist ebenfalls der Faradaysche Käfig. Die Aufzugskabine ist aus Metall gefertigt. Sobald die Tür geschlossen ist, gleicht der Aufzug einer geschlossenen Umgebung. Wenn externe elektromagnetische Wellen eindringen, ordnen sich die Elektronen im Auto neu an, wodurch der Einfluss der externen elektromagnetischen Wellen ausgeglichen und ein Abschirmeffekt erzielt wird.

Aufzugsschacht

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Darüber hinaus bestehen Aufzugsschächte meist aus Stahlbetonkonstruktionen, die einem großen Faradayschen Käfig entsprechen, der elektromagnetische Wellen blockiert und absorbiert. Daraus lässt sich ersehen, dass es nicht allzu schwer zu verstehen ist, warum das Signal eines Mobiltelefons, das in einem „Käfig im Käfig“ untergebracht ist, schwächer wird oder ganz verschwindet.

Wir alle wissen, dass wir heruntergefallene Stromleitungen nicht berühren sollten, aber wir dürfen sie auch nicht zu genau betrachten!

Sie können es nicht berühren und nicht einmal aus der Nähe betrachten. Denn wir können nicht sicher sein, ob es aufgeladen ist. Wenn es sich um Hochspannung handelt, kann man sich die Folgen einer Berührung vorstellen. Ist es also möglich, näher heranzugehen und die Drähte mit einem trockenen Holzstab aufzuhebeln? Auch das ist unsicher. Wenn sich Personen der Stelle nähern, an der die Drähte herunterfallen, besteht aufgrund der dort vorhandenen Schrittspannung die Gefahr eines Stromschlags. Unter Schrittspannung versteht man die Spannung zwischen den beiden Füßen einer Person, wenn ein elektrisches Gerät ausfällt und die Person sich im Bereich um die Eintrittsstelle des Erdstroms bewegt.

Elektrische Funken von Drähten

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Wenn Stromleitungen (insbesondere solche mit gebrochenen Spitzen) auf den Boden fallen, bilden sie mit der Erde eine Schleife. Der Strom fließt durch die Drähte zur Erde, sodass um den Erdungspunkt des Drahtes ein starkes elektrisches Feld entsteht. Wenn Sie in diesem Bereich gehen, besteht zwischen Ihren beiden Füßen ein Spannungsunterschied, der dazu führt, dass Strom durch den menschlichen Körper fließt und die Gefahr eines Stromschlags besteht.

Sollten Sie in dieser Situation einfach mit großen Schritten davonlaufen?

Du kannst auch nicht weglaufen. Wer diesen Gefahrenbereich verlassen möchte, muss auf einem Bein hüpfen oder sich mit geschlossenen Füßen in kleinen Schritten fortbewegen, bis er acht Meter von der Stelle entfernt ist, an der der Draht landet. Denn je größer der Abstand zwischen den beiden Füßen ist, desto größer ist die Schrittspannung und desto leichter kann man einen Stromschlag bekommen. Darüber hinaus kommt es nach einem Stromschlag zu Muskelkrämpfen und in schweren Fällen zur Ohnmacht. Noch gefährlicher wird es, wenn die Person zu Boden stürzt.

Abschluss

Die meisten „Unverständnisse“ im Leben lassen sich auf wissenschaftliche Weise erklären. Geraten Sie im Notfall nicht in Panik, reagieren Sie ruhig und Sie können im entscheidenden Moment Ihr Leben retten. Wie in diesem Artikel erläutert, schützt das Prinzip des Faradayschen Käfigs nicht nur das Leben des Fahrers in bestimmten Situationen, sondern bietet uns auch ein wichtiges Fenster zum Verständnis der elektrischen Sicherheit. Mithilfe wissenschaftlicher Methoden können wir die Welt um uns herum besser verstehen und angesichts potenzieller Gefahren die richtigen Entscheidungen treffen.

Quellen:

1. Korevaar J, Meyers JLH. Sphärischer Faradayscher Käfig für den Fall gleicher Punktladungen und Tschebyscheff-Quadratur auf der Kugel [J]. Integraltransformationen und spezielle Funktionen, 2007.

2. Umstellung von vertikalem auf horizontales Graphenwachstum mithilfe eines Faradaykäfig-unterstützten PECVD-Ansatzes für ein leistungsstarkes transparentes Heizgerät [J]. Fortschrittliche Materialien, 2018.

3. Lin Zheng, Li Zihua, Tang Lei. Informationen zur Nutzung des Faradayschen Käfigprinzips zum Schutz vor elektromagnetischen Blitzimpulsen [J]. Meteorologische Forschung und Anwendungen, 2009.

4. Li Xia. Eine kurze Analyse des Blitzschutzes im Auto[J]. Landwirtschaftliche Entwicklung und Ausrüstung, 2014.

5. Yu Jumei, Hou Deting. Physikalische Prinzipien der Mikrowellenerwärmung[J]. Bulletin der Physik, 1998.

6. Ai Hua. Analyse und Perspektive der Schlüsseltechnologien von Hochspannungs- und Höchstspannungskabeln[J]. Elektrotechnik: Zweite Monatshälfte 2016.