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E. Riedle PhysikLMU

Elektrostatik in Natur und Technik

Reibungselektrizität:

Unterschiedliche effektive Bindungsenergie

Kontaktspannung

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E. Riedle PhysikLMU

elektrisches Feld der Erde: E 130 V/m

positive geladene Teilchen werden durch Wind nach oben getragen.

Gewitter

vertikale Luftströmung

Ladungstrennung

Blitz 10 C / 105 A / 10-4 s

http://www.muk.uni-hannover.de/~finke/

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E. Riedle PhysikLMU

Farbbeschichtung:

Koronaentladung

q Ev

6 r

Staubfilter:

Gasentladung

negative

Aufladung

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E. Riedle PhysikLMU

Elektrostatische Kopierer und Drucker

1935 Charles Carlson

- Selenzylinder wird im Dunklen aufgeladen

- Belichtung entfernt Ladungen

- Farbteilchen haften an Ladung

- Übertrag auf Papier

- Fixierung durch Hitze

Elektrische Vorgänge in der Atmosphäre

Ulli Finke

Institut für Meteorologie und Klimatologie

Universität Hannover

Geschichte

Franklins Drachenexperiment:

• Drachenaufstieg in Gewitterwolke

• Funken zwischen Drachenschnur

und geerdetem Metallgegenstand

(Schlüssel)

Nachweis

• der Existenz von Elektrizität in der Atmosphäre

• Wolken sind elektrisch geladen

• elektrische Natur der Blitze

Beobachtungen

• gemessen wird Feld mit Feldstärke:

– 150 V/m in Bodennähe

– 30 mV/m in 40km Höhe

• Luft ist kein Isolator, besitzt Leitfähigkeit

• es fließt ständig ein elektrischer Strom: global 1500 A

Fragen:

Wodurch wird das Feld aufrechterhalten?

Was sind die Ladungsträger?

Luftionen

Kleinionen

• Cluster aus 10-20 Molekülen (meist H2O)um ein zentrales Ion

• Größe aus Gleichgewicht zw. Stoßenergie und el. Potential am Clusterrand

• tragen eine Elementarladung

• Anzahl-Dichte: 500 cm-3

• Geschwindigkeit: 1-3 cm/s

• Lebensdauer: 10 s - 300 s

• Luft ist kein Isolator

• es existieren Ladungsträger (bipolar): die Luftionen

Entstehung der Luftionen:

1. Primäre Ionisierung eines Gasatoms in Elektron und Ion

2. Anlagerung des Elektrons an Gasatom zu Molekül-Ion

3. Clusterbildung durch Anlagerung von Liganden (Wasser)

Globaler Elektrischer Kreislauf

• Schönwetterfeld (negativ, zum Boden gerichtet)

• Erde negativ gegenüber Atmosphäre

• Entladungsstrom durch Luftionen im Schönwetterfeld

• unter Gewittern Feldumkehr gegenüber Schönwetterfeld

• Blitze führen zu negativer Aufladung der Erde

• globaler Ausgleich durch hohe Leitfähigkeit im Boden und mittlerer Atmosphäre

Ströme: Blitz-, Leitungs-(Schönwetter, unter, über, in Wolken), Korona-, Niederschlags-, Maxwell-, Verschiebungs-

Gewitterwolken

• beobachtete Felder wesentlich stärker (~100kV/m) als in Stratuswolken erreichbar

• neuer Mechanismus gesucht:

Bildung neuer Ladungsträger durch mikroskopische Ladungstrennung und Bildung der Ramladungen durch selektiven Transport

• 1. mikro-Ladungstrennung durch:

– Teilchenwechselwirkung: Einfang, Kollision, Bereifen, etc

– Resultat: positive Ladung auf kleinen Teilchen, negative Ladung auf großen Teilchen

• 2. makro-Ladungstrennung durch Aufwinde:

– kleine Teilchen gelangen höher

– Resultat: Ladungsgebiete in der Wolke

Ladungstrennung: induktiv

Äußeres Feld existiert und polarisiert Hydrometeore

Wilson-Effekt: Selektiver Ionen-Einfang

• polarisierte Tropfen

• Luftionen (im el. Feld) sind langsamer als fallende Tropfen

=> Ionen geraten vorwiegend mit der Unterseite (positiv) des Tropfens in Kontakt

• positive Ionen werden abgelenkt, negative Ionen angezogen

• Tropfen nimmt negative Ladung auf

• Effekt stärker bei großen Tropfen

• führt zur Verstärkung des Feldes

Aber• maximale Ladung auf Tropfen: ~100 e• Effekt begrenzt wegen geringer Ionenkonzentration• bei starken Feldern sind Ionen schnell

Ladungstrennung: induktiv

Tropfenkollision

kurzzeitige Berührung mit geringem Massenaustauch, kein Verschmelzen

• Tropfen sind polarisiert

• kleiner Tropfen fällt langsamer als großer Tropfen

• kleiner Tropfen trifft mit negativer Oberseite die positive Unterseite des großen

• großer Tropfen übernimmt einen Teil der negativen Ladung vom kleinen

• große Tropfen werden negativ

• Feld wird verstärkt

• max. Ladung nur ~100e

Fazit: induktive Mechanismen können nicht die beobachteten Ladungen auf die Hydrometeore bringen.

Elektrische Struktur der Gewitterwolke

Tripol-Struktur

• negatives Ladungsgebiet im unteren Teil, bei T > -25°C

• positives Ladungsgebiet darüber, erstreckt sich bis in den Amboß

• kleines positives Gebiet nahe der Wolkenbasis bei Niederschlag

Abweichungen:

• horizontale Inhomogenität, Unter-schiede im Auf- und Abwindbereich

• oft mehr als 3 Schichten beobachtet

• Schirmschicht an den Wolkengrenzen

• erhöhte Kleinionenkonzentration unter der Wolke durch Korona-Ionisierung

Blitz: Hauptentladung

• Temperatur bis 30000 K innerhalb 2cm (Sonnenoberfläche 6000 K)

• Ströme von einigen 10 kA

• Ladung einige C (As)

• Zeit ~50 ms (mittl. Strom 2 As/50ms=40 A)

• Gesamtenergie: 109 - 1010 J (300 - 3000 kWh)

• Länge des Blitzkanals: 5 km

• sichtbarer Durchmesser: 15 cm

• Donner ist Stoßwelle der expandierenden Luft

Blitzvorgang

stufenförmigerLeitblitz

Hauptentladung

direkterLeitblitz

Hauptentladung

Leitblitz:

Geschwindigkeit: 105 m/s

Schrittlänge: 10-100 m

Hauptentladung:

Geschwindigkeit: 108 m/s

Richtung der Welle immer vom Boden zur Wolke

Blitzvorgang

Einzelentladungen (return strokes) in einem Mehrfachblitz (flash)

• Anzahl meist 3-5(Multiplizität)• zeitl. Abstand 20-100 ms• meist mit gleichem Bodenpunkt• nur die erste Entladung ist verzweigt

• Multiplizität hoch in Sommergewittern

Physikalische Parameter

• Max. Stromstärke: 10-30 kA

• Ladungsfluß: 2-5 C

• Dauer des Stromflusses: 40-70 ms

• Kerntemperatur: 30 000 K (innerhalb 2cm)

• Gesamtenergie: 109 - 1010 J (300 - 3000 kWh)

• Länge des Blitzkanals: 5 km

• sichtbarer Durchmesser: 15 cm

Blitztypen

Wolke-Boden (95%) Boden-Wolke (5%)

Klassifikation der CG-Blitze nach Richtung des Leitblitzes

Wolkeninterne Entladungen (IC)

Wolke-Boden-Blitze (CG)

• IC/CG = 10/1

• Amplitude

Blitzschäden

• Schäden durch Blitze

– Mensch und Tier (Todesopfer: USA: 100 pro Jahr, D: <10 pro Jahr)

– Brände: Gebäude, Wald

– Zerstörungen: Stromleitungen, Flugzeuge

– Elektronikschäden, Überspannung

• Mechanismen

– Hitze

– elektro-magnetische Felder

• Schutzmaßnahmen

– Blitzableiter und -abschirmung

– Überspannungsschutz

– Warnung

Blitzschäden: Bäume

Typische SpiralstrukturExplodiert, aufgesprengt durch verdampftes Wasser

Blitzschäden: Lebewesen

Schädigung durch direkten Einschlag, Übersprung oder induzierte ‚Schrittspannung‘

• Verbrennungen

• bio-elektrische Störung, Herzstillstand

Infolge Blitzschlag bewußtlose

Personen können häufig durch Erste-

Hilfe-Maßnahmen wiederbelebt

werden

Schutzverhalten:

• im Gebäude aufhalten

• frei stehende hohe Objekte meiden

• in Mulde kauern, Kontaktpunkte zum Boden eng zusammenhalten

Kugelblitz (Ball lightning)

Beobachtungen:

• mit nahem Erdblitz

• leuchtende Kugel

• langsame Bewegung

• lange Dauer (einige sec)

Theorie:

•Plasmakugel (heiß/kalt) unter Einfluß el.-magn. Felder (Magneto-hydrodynamik)

•Silikatcluster (kalt) inelektrostatischem Feld