ELEKTRIZITÄT Ladungen Ströme Magnetismus 4 1 Elektrostatik 4.1 Elektrostatik • Elektrische Ladungen Elektrische Ladungen 2 Arten: positiv (+) und negativ (‐) anziehend (unterschiedliche Ladungen) und anziehend (unterschiedliche Ladungen) und abstoßend (gleiche Ladungen) elektrische Ladung an materiellen Träger gebunden Einheit: Coulomb (1 C = 1 A s) elektrische Ladung gequantelt – nur in Vielfachen der eelektrischen Elementarladung |e|=1,60210 e t sc e e e ta adu g |e| ,60 0‐19 C ‐ negative Elementarladung: Elektron (me~9,110‐31 kg) + positive Elementarladung: Proton (mp~1,710‐27 kg) Ladungen bleiben erhalten (in abgeschlossenen Systemen) Ladungen bleiben erhalten (in abgeschlossenen Systemen) Transport von Ladungen (elektrischer Strom) in Leitern (Elektronen frei beweglich, z.B. Metalle); Kein Transport in Isolatoren (Holz, Glas); Halbleiter (z.B. Silizium): geringer Transport • Kräfte zwischen Ladungen Kräfte zwischen Ladungen Zwei elektrische Punktladungen q1 und q2, die sich im Abstand r voneinander befinden, üben Kraft aufeinander aus (Coulombsches Gesetz) 1 q1q2 r F1 (r ) F2 (r ) 2 4 0 r r 0 = 8,8510‐12 C2N‐1m‐2....Dielektrizitätskonstante (Permittivität des Vakuums) ähnlich Newtonschem Gravitationsgesetz ähnlich Newtonschem Gravitationsgesetz – aber hier auch abstoßende aber hier auch abstoßende Kräfte • Elektrisches Feld Elektrisches Feld wird von ruhenden Ladungen erzeugt (Elektrostatik) überträgt die Coulomb überträgt die Coulomb‐Kraft Kraft F (r ) E (r ) q F (r ) qE (r ) kann sowohl in Medien, wie auch in Vakuum existieren Feld einer Punktladung 1 q r E (r ) 2 4 0 r r Felder können sich überlagern (Superpositionsprinzip) Gauß‘sches Gesetz 1 E (r )dA Q 0 • Elektrisches Potential Elektrisches Potential in Analogie zu potentieller Energie in der Mechanik: um eine Ladung q‘ in einem elektrischen Feld zu verschieben, muß Arbeit verrichtet werden. Für kleine Ortsänderung dr' dW=Fdr', (Kraft hier: ) dW=Fdr (Kraft hier: F (r ) q 'E (r ) ) bzw. gesamte Arbeit aus Integral x2 Wx1 x2 F dr x1 unabhängig unabhängig vom gewählten Weg vom gewählten Weg (konservative Kraft) • Elektrisches Potential Elektrisches Potential Potentielle Energie: Arbeit, die erforderlich ist, um Ladung q' aus unendlicher Entfernung auf Position r=x2 zu bewegen (x1=, F()=0) Potential: Arbeit die geleistet werden kann bei Verschiebung einer Einheitsladung (+) von Position r ins unendliche (r ) W (r ) / q r E (r )dr Elektrisches Feld ist Potentialfeld (Gradient der zu leistenden Arbeit, siehe Mechanik II) zu elektrostatischer Arbeit, bzw. Kraft E (r ) (r ) grad d ( (r )) F (r ) / q • Elektrische Spannung: Elektrische Spannung: Potentialdifferenz zwischen 2 Punkten im Feld Potentialdifferenz zwischen 2 Punkten im Feld U (r1 ) (r2 ) Einheit: 1 V (Volt) Einheit: 1 V (Volt) = 1 J/C 1 J/C durchläuft Teilchen mit Ladung q die Potentialdifferenz U, so wird potentielle Energie Wpot= q U in kinetische Energie umgewandelt. Teilchen wird entlang Feldlinien beschleunigt. Fernsehröhre: ~ 30 kV Röntgenröhre ~ 35 120 kV Röntgenröhre: ~ 35 ‐ 120 kV relativistische Elektronen ab ~500 kV • Darstellung des elektrischen Feldes: Darstellung des elektrischen Feldes: Kräfte an diskreten Punkten Länge der Linien F Feld‐ und Potentiallinien eeiner Punktladung e u t adu g verbindet man Linienstücke: Feldlinien (blau, ‖ F) senkrecht zu Feldlinien: Feld‐ und Potentiallinien Linien gleichen Potentials – g zweier Punktladungen zweier Punktladungen Potentiallinien (schwarz) • Materie verändert das elektrische Feld Materie verändert das elektrische Feld Leiter: Ladungen werden getrennt (Influenz), innen feldfrei (z.B. innen feldfrei (z.B. Faraday Käfig) Faraday‐Käfig) ELeiter 0 Ladungen sitzen an der Oberfläche Leitende Flächen sind Äquipotentialflächen Nichtleiter Nichtleiter (Dielektrika): Medium wird polarisiert (Dielektrika) Medi m ird polarisiert (z.B. Orientierung von Molekülen), Feld wird kleiner EDielektrikum 1 E0 ....Dielektrizitätszahl Vakuum: = 1, Luft: = 1.0006, Wasser: = 80, spez. Polymere: > 10000 • Feldkonfigurationen: Vektorfelder können überlagert werden überlagert werden 1 qi E ges Ei 2 i i 4 0 ri 0 ri 0 ri 0 Leiteroberflächen sind Äquipotentialflächen ‐ Feldlinien senkrecht Feldlinien senkrecht ‐ kein Feld im Inneren (Faradaykäfig) ‐ Feld am stärksten an Spitzen • Feld zwischen 2 geladenen Platten: wie groß wird Spannung U ? Feld zwischen 2 geladenen Platten: wie groß wird Spannung U ? bewege 2 Platten (Flächenladung =Q/A) auseinander, Energieaufwand: x2 x2 x2 W12 Fd Fdr ' q E dr d ' E q d dx E q (x2 x1 ) (x)E x x1 x1 x1 U (d) ((0)) E d Spannung steigt, wenn Wolken (Wasserdampf) aufsteigen (Wasserdampf) aufsteigen • umgekehrt: Welche Ladung kann auf 2 Platten umgekehrt: Welche Ladung kann auf 2 Platten aufgebracht werden ? 0A U 1 Q E Q U C U d 0 A d • C.....Kapazität Einheit: Farad (1 F = 1 C/V) • Kondensator: besteht aus 2 geladenen • • Gegenständen (meist Platten oder Kugel) 1 Q2 1 2 1 C U QU Energieinhalt: WC 2 C 2 2 Dielektrikum im Kondensator erhöht Kapazität C 0 A d 4 2 Elektrodynamik 4.2 Elektrodynamik • Elektrischer Strom : Elektrischer Strom : Änderung der Ladungsverteilungen mit der Zeit dQ I dt I z e n AvD q=ze q=ze n A vD Ladung eines Ladungsträgers Ladung eines Ladungsträgers Ladungsträgerdichte Querschnitt Driftgeschwindigkeit Einheit A....Ampere (SI‐Einheit) e elektrische Elementarladung elektrischer Strom: Bewegung von Ladungsträgern 4 2 Elektrodynamik 4.2 Elektrodynamik • Modell der Stromleitung Modell der Stromleitung in Festkörper: in Festkörper • Elektronen (e‐) werden beschleunigt (Potentialdifferenz), durch Stöße abgelenkt el. Widerstand bei Ausbreitung wegen Stöße U I R U L R I A Ohmsches Gesetz Einheit 1 ..... Ohm ....spezifischer Widerstand (m) spezifischer Widerstand (m) L ….Länge, A….Querschnittsfläche el. Leitwert: G=1/R (S ... Siemens) =G/L Leitfähigkeit (S/m, bzw. 1/m) 4 2 1 Ladungstransport 4.2.1 Ladungstransport in Festkörpern: in Festkörpern: Einschub Festkörper: Atome bestehen aus Atomkernen und Elektronen (e‐). Atomkerne auf festen Positionen im Kristallgitter oder Molekülverband. Beweglichkeit der e‐ bestimmt Leitfähigkeit. Bändermodell: Energie der e‐ nicht kontinuierlich, nur bestimmte Wertebereiche (Bänder) möglich. e‐ in Leitungsband (LB) frei beweglich (bis auf Kollisionen siehe oben) (bis auf Kollisionen, siehe oben) • Metalle Kraft auf e‐ (E‐Feld) führt zu Drift. Stöße reduzieren Beweglichkeit Widerstand ( 1010...107 S/m) Gitterbewegung stärker bei höheren Temperaturen Widerstand steigt. Temperaturen Widerstand steigt ähnlich für unterschiedliche Metalle. (Temperaturkoeffizient positiv) 11 m) bei T=0 : R>0 (Cu: 210‐11 • Supraleitung unterhalb von Sprungtemperatur t h lb S t t verschwindet elektrischer Widerstand. Sprungtemperatur abhängig von Magnetfeldern e‐ bilden Paare, die nicht mehr mit Kristallgitter wechselwirken • Halbleiter e‐ in Valenzband, knapp getrennt von Leitungsband ( 1 eV) Leitfähigkeit sehr schlecht, verändert sich aber, wenn Fremdatome zusätzliche e‐ einbringen ( 105...10‐7 S/m) Auch Löcher (fehlende e‐) können zu Ladungstransport beitragen. geringe E‐Felder bewirken zusätzliche, deutliche Änderung der i E F ld b i k ät li h d tli h Ä d d Leitfähigkeiten Dioden, Transistoren... mehr freie Ladungsträger mit höherer Temperatur Temperaturkoeffizient negativ • Isolatoren Energie des Valenzbandes deutlich unter Leitungsband, keine Übergänge – keine frei beweglichen Elektronen. in Flüssigkeiten: in Flüssigkeiten: destilliertes Wasser: spezifischer Leitwert 510‐6 S/m Ladungsträger notwendig: positive Ladungsträger notwendig: positive – negative Ionen (geladene Atome) negative Ionen (geladene Atome) • Elektrolyte Lösungen von Salzen, Säuren o. Basen heteropolare Verbindungen: Molekül besteht aus 2 Komponenten, die in Lösung getrennt werden und entgegengesetzte Ladung haben – "Dissoziation" Dissoziation NaCl Na+ ‐ Cl‐ Bindung in Kochsalzkristall durch Coulomb‐anziehung zwischen Na+ ‐ Cl‐ H2O‐Moleküle sind polar (Ladungsverteilung in Molekül nicht isotrop) – trennen Ionen des Salzkristalls Kationen Kationen (positiv geladen) und Anionen (negativ gel.) tragen zu Strom (positiv geladen) und Anionen (negativ gel ) tragen zu Strom bei. Leitfähigkeit proportional zu Wertigkeit der Ionen (z), zur Konzentrationen (n...Anzahl/Volumen) und Beweglichkeit (µ) der Ionen ( D...Driftgeschwindigkeit) (v D ift h i di k it) e z n z n vD / E µ charakteristisch für unterschiedliche Substanzen charakteristisch für unterschiedliche Substanzen Elektrophorese: Gel als Driftstrecke zwischen Kathode (‐) und Anode (+). Trennung unterschiedlicher Komponenten. Hydrodynamische Reibungskraft abhängig von molarer Masse. • Elektrolyse Ladungstransport unter Materietransport, Abscheidung an Elektrode abgeschiedene Masse proportional zu transportierter Ladung durch gleiche Ladungsmengen werden gleiche durch gleiche Ladungsmengen werden gleiche Äquivalentmengen abgeschieden Äquivalentmenge = Stoffmenge x Wertigkeit Q=96485 C scheidet 1 Mol eines einwertigen Stoffes ab (Faraday) Q=96485 C scheidet 1 Mol eines einwertigen Stoffes ab. (Faraday) Schmelzflußelektrolyse Erzeugung von reinem Aluminium aus Aluminiumoxid 1t Al = 12 MWh • Galvanische Elemente Galvanische Elemente Metall in Lösungsmittel: Kontaktspannung (positive Metallionen gehen in Lösung) (unterschiedliche "Standardpotentiale" für unterschiedliche Materialien. z.B. Cu/Cu2+ U0=0,3419 V, Zn/Zn2+ U0=‐0,7618 V; Strom fließt von Zn zu Cu Elektrode) • Akkumulatoren reversibler elektrochemischer Prozess – Speicher el. Energie in Gasen Gasentladung: Ionisationsarbeit durch Erwärmung, Bestrahlung mit Licht Röntgen Radioaktiverstrahlung o Stöße Licht, Röntgen, Radioaktiverstrahlung o. Stöße. in Vakuum freie freie Propagation von e‐, zuerst Erzeugung notwendig (Glühemission, Propagation von e‐ zuerst Erzeugung notwendig (Glühemission Licht) 4 2 2 Elektrische Schaltkreise 4.2.2 Elektrische Schaltkreise Schaltung aus Spannungsquellen, Schaltung aus Spannungsquellen Widerständen, Kapazitäten (Induktivitäten ‐ Spulen) • Charakterisierung mit Kirchhoffschen Regeln • 1. Kirchhoffsche Regel ‐ Knotenregel • An jedem Verzweigungspunkt (Knoten) in einer Schaltung muss ebenso viel Ladung zu‐ wie abfließen. Die Summe aller Ströme in den einzelnen Zweigen, die in den Knoten münden, ist Null: I • 0 i 2. Kirchhoffsche Regel ‐ Maschenregel Di Die Gesamtspannung längs einer geschlossenen Masche G t lä i hl M h einer Schaltung, d. h. die Summe aller Spannungsabfälle an den einzelnen Elementen, aus denen die Masche besteht, ist Null: , U 0 i Serien Parallelschaltung Serien‐ • Serienschaltung von Widerständen von Widerständen Addition der Widerstände Rges Ri • Parallelschaltung von Widerständen g Addition der Leitwerte , bzw. Kehrwerte der Ri Gges Gi 1 1 Rges Ri • Serienschaltung von Kondensatoren g 1 1 Addition der Kehrwerte C gges Ci • Parallelschaltung von Kondensatoren (Flächen addieren sich) Addition der Kapazitäten p C ges C i 4 2 4 Energie und Leistung 4.2.4. Energie und Leistung • Energie: Ladung im Potential – Energie: Ladung im Potential – potentielle Energie potentielle Energie Ladung Q wird zwischen Orten mit Potentialdifferenz U verschoben E QU z.B.: Elektron durchläuft Spannungsdifferenz von 1V E=1 eV = 1,6∙10‐19 J. in Leiter: vDrift sehr klein – Energie geht in Wärmeenergie über g g g • elektrische Leistung IU I 2R U 2 R P E QU • Strom durch Widerstand – el. Energie in thermische Energie – Heizung • Hochspannungsleitung: Leistung P H h l i L i P zum Verbraucher, Strom umso geringer, V b h S i je höher U (Effektivwerte bei Wechselstrom) 2 2 P Pverlust Ieffff RL Ueff RL • Einheiten üblich für Stromverbrauch: kWh Kilo‐Watt‐Stunde 1kWh=3.6 10 6 Ws=3.6 10 6 J 4 3 Magnetismus 4.3 Magnetismus Beobachte Beobachte anziehende – anziehende – abstoßende Kraft abstoßende Kraft zwischen Materialien (Kraftfeld – Beschreibung mit Feldlinien) • Eigenschaften "gleichnamige" Pole stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an ungleichnamige ziehen sich an Benennung nach Ausrichtung relativ zu geographischen Richtungen Nord‐ und Südpol Nord‐ und Südpol treten nur zusammen auf, es gibt keine magnetischen Ladungen. Das Magnetfeld hat keine Quellen Das Magnetfeld hat keine Quellen Magnetische Feldlinien sind immer geschlossen. Quellen elektrischer Kraft sind Ladungen – Quellen magnetischer Kraft sind Ströme 4 3 1 Magnetismus in Materie 4.3.1 Magnetismus in Materie • Permanentmagnete Polstärke: entspricht Ladung, verantwortlich für Abstoßung – Kraft ähnlich der Coulombkraft: F 4 0 1 p1 p2 r2 r 0 4 10 7 Vs / Am in Analogie zu elektr. Feldstärke: magnetische Feldstärke B ti h F ld tä k B (Kraft für (K ft fü verschwindend kleine Probemagneten) Eineit: Tesla T=Vsm‐2 B 0 lim (F / p2 ) p2 0 daneben H=B/µ0 .... magnetische Erregung in Materie: "Elementarmagnete" (atomare magnetische Momente, (atomare magnetische Momente abhängig von Elektronenkonfiguration des Atoms) geordnet äußeres Magnetfeld ungeordnet kein äußeres Magnetfeld kein äußeres Magnetfeld • Magnetisierung Magnetisierung M m H und Bi 0 (1 )H 0 r H Suszeptibilität m abhängig von magn. Moment der Atome und von Wechselwirkung der Momente. µr...magnetische Permeabilität • Diamagnet kkein magn. Moment i M t Effekte durch induzierte Kreisströme (siehe unten) abstoßend (schwach), nur in el. Leitern Dia<0, ~‐10‐6...‐10‐5 • Paramagnet magn. Momente ungeordnet thermische Energie größer als Energiegewinn bei Ordnung Energiegewinn bei Ordnung leicht anziehend, Para >0 • Ferromagnet geordnete Bezirke Struktur folgt Gesetz der kleinsten Energie Energie, E=H B /2, bei max. Magnetisierung möglichst wenige Feldlinien im Aussenraum (µFerro>>µ µLuft) Bezirke ("Weißsche Bezirke") werden fixiert durch Unregelmässigkeiten im Kristall (Defekte, Strukturfehler) und durch "Blochwände" getrennt Strukturfehler) und durch "Blochwände" getrennt. a...Neukurve k Permanentmagnete: Starke Fixierung der Bezirke – "Remanenzmagnetisierung" MR, große Fläche unter Hysterese Weichmagnete (Eisenkern in Spulen, Motoren...): Blochwände beweglich, kann leicht ummagnetisiert werden (geringes Koerzitivfeld BK). Oberhalb Oberhalb "Curie Curie‐Temperatur Temperatur" überwiegt thermische Energie überwiegt thermische Energie Ferromagnet wird paramagnetisch 4.3.2 Magnetismus durch be egte Lad ngen bewegte Ladungen • stromdurchflossener Leiter stromdurchflossener Leiter Feld, Feldlinien konzentrisch um Leiter 0I 0 I dl r B allgemein: dB 2 r 4 r 3 Feld einer Spule durch Integration über Leiter ( Tabellen für Standardkonfigurationen) z B: Feld im Inneren einer Spule: B 0 NI/ L z.B: Feld im Inneren einer Spule: (N…Zahl der Windungen, I…Strom, L…Länge der Spule) Materie im Inneren der Spule verändert Feld entsprechend der relativen Permeabilität BMaterie r BVakuum Elektromagnete mit Eisenkern zur Verstärkung • Kraft auf bewegte Ladungen Kraft auf bewegte Ladungen Ströme erzeugen Magnetfelder – Magnete üben Kräfte aufeinander aus, d.h. Kraft zwischen Magnetfeldern und bewegten Ladungen (Strommessgeräte, E‐Motor!) Kräfte Kräfte zwischen Leitern zur Definition des Ampere zwischen Leitern zur Definition des Ampere ( SI Einheiten) Lorentzkraft: F qv B Abl k Ablenkung von Elektronen in Magnetfeldern El k i M f ld ‐ Massenspektrometer: Trennung von Ionen in B‐Feld ‐ Halleffekt: Ablenkung der e‐ in Festkörper erzeugt Spannung transversal zu Strom (für empfindliche Feldmessungen) ‐ Drehmoment auf stromdurchflossene Schleifen ‐ Erdfeld: Schutz vor Sonnenwind 4 3 3 Induktion 4.3.3 Induktion Kraft Kraft auf Elektronen auf Elektronen elektrische Spannung elektrische Spannung Lorentzkraft wirkt auf e‐, die sich relativ zu (ruhendem) Feld bewegen – oder: auf e‐ auf die ein sich zeitlich veränderliches Feld wirkt. • Induktionsspannung d d Uind B dA i d dt dt Die in einem Leiter induzierte Spannung i (b ist (betragsmäßig) gleich der zeitlichen Änderung des magnetischen äßi ) l i h d i li h Ä d d i h Flusses durch die Leiterfläche. Induktionsstrom Iind ist so gerichtet, dass sein Feld g , Bind der Ursache der Induktion entgegenwirkt (Lenzsche Regel). • Anwendungen: Wirbelströme, Dynamo, Generator, Transformator • Drehstromgenerator mit einem Drehstromgenerator mit einem rotierenden Feldmagneten und feststehenden Induktionsspulen Transformator U1/U2 = N1/N2 Drehspulgenerator Drehspulamperemeter 4 4 Wechselstrom 4.4 Wechselstrom • Strom aus Generator: Strom aus Generator: I(t ) I0 sin t 2 2 T U(t ) U0 sin t I0,U0 ...... Scheitelwerte ...... Scheitelwerte .........Frequenz ..............Kreisfrequenz T..........Periodendauer • Steckdose: S kd 230 V 2 polig P,N 400 V 4 polig "Kraftstrom", Drehstrom R (L1) S (L2) T (L3) N R (L1), S (L2) ,T (L3), N Wechselstromwiderstand • Ohmscher Widerstand Ohmscher Widerstand ROhm • Kapazitiver Widerstand I(t)= ) U(t)/Rohm permanentes Umladen Verzögerung zwischen U,I permanentes Umladen Verzögerung zwischen U,I RC 1 C I(t ) C U0 cos t • Induktiver Widerstand (Selbst‐) Induktion: Zeitlich veränderlicher Strom verursacht zeitlich veränderliches Magnetfeld. Dieses Magnetfeld erzeugt im Leiter Induktionsstrom Iind Induktionsstrom I , der dem ursprünglichen Strom entgegengesetzt i d, der dem ursprünglichen Strom entgegengesetzt ist; bzw. Magnetfeld erzeugt Induktionsspannung Uind L ddtI Induktivität L (Einheit: Henry H) verzögert Einschalten, bzw. A Ausschalten; hängt von geometrischer Konfiguration des Leiters h lt hä t t i h K fi ti d L it z.B.: Spule L r 0 N 2 A / l RL L • Frequenzabhängiger Widerstand ! Frequenzabhängiger Widerstand ! elektrische Leistung elektrische Leistung Leistung: P = U I bei Wechselstrom Mittelung über längere Zeit bei Wechselstrom P(t ) U(t ) I(t ) Mittelung über längere Zeit W U(t ) I(t ) Effektivwert (relevant für Erwärmung, Beleuchtung etc.) (unabhängig von Stromrichtung) St i ht ) Ieff I0 / 2 Ueff U0 / 2 "Phasenverschiebung" zwischen g U und I 2 Rges ROhm L 1 / C 2 I(t) U0 cos t / Rges tan L 1 C ROhm bei höheren Frequenzen und hohen Induktivitäten bemerkbar (Transformator, Lautsprecher, >100kHz, "Impedanzanpassung") PW Ueff Ieff cos Wirkleistung PB Ueff Ieff sin Blindleistung 4 5 Messmethoden 4.5 Messmethoden • Strom‐ Strom / Spannungsmessung: / Spannungsmessung: Ampere‐ / Voltmeter früher vor allem magnetische Effekte, heute Digitalisierung ( früher vor allem magnetische Effekte, heute Digitalisierung ("ADC ADC – Analog‐Digital‐Converter) aus Kirchhofregeln: Strommessung innerhalb Schleife Spannungsmessung an Schleife Strommessung (innerhalb Schleife) mir geringem Innenwiderstand Strommessung (innerhalb Schleife) mir geringem Innenwiderstand Spannungsmessung (an Schleife) mit hohem Innenwiderstand EErsatzweise: z.B.: Strommessung durch Messung des Spannungsabfalls t i B St d hM d S bf ll an (kleinem) Widerstand (mit I=U/R) Vierpunktmessung: Bestimmung des Spannungsabfalls bei Stromfluss 4 6 Elektomagnetismus in Lebewesen 4.6 Elektomagnetismus in Lebewesen • Zellen: Zellen: Innen negativ geladen (relativ zu Zellzwischenbereich) I ti l d ( l ti Z ll i h b i h) zusätzlich Ionenselektiv (Na+ arm, K+ reich). Zellmembran isolierend, Lipid‐Doppelwand – kapazitiv. L d Ladungstransport durch t t d h Ionenkanäle I k äl (K+ unter Energieverbrauch) t E i b h) Nervenzellen: weiterleiten eines Aktionspotentialverlaufs Potentialänderung durch Einströmen von Na+, Botenstoffe an ++ einströmen – Kontraktion M k l ll lassen dort Ca Muskelzellen l d k EKG, EEG: Messung der Potetiale, aus Form Information über Herz‐, Gehirntätigkeit • Einfluss von E Einfluss von E‐ und B und B‐Feldern: Feldern: statische Felder von bis zu 20 kV/m bei statische Felder von bis zu 20 kV/m bei Gewitter, evtl. Polarisation der Wassermoleküle. (Abschirmung durch ‐leitenden‐ Faraday‐Käfig) In B vor allem Induktionsströme bei Bewegung (Sinneswahrnehmung). Wechselfelder (Handy! ~2 Wechselfelder (Handy! 2 GHz) Erwärmung bei sehr hohen Feldern GHz) Erwärmung bei sehr hohen Feldern • Leitfähigkeit: Membran isoliert, Strom in Zellzwischengewebe, von Spannung und Frequenz abhängig! (Best. Körperfett) Wid Widerstand vor allem in trockener Haut und Gelenken d ll i k H dG l k Warum ist Strom gefährlich ? Warum ist Strom gefährlich ? • Sehr hohe Spannungen bei Aufladung p g g z.B. bei Gehen auf Teppich 10000‐30000 V Spannung nicht entscheidend – Strom ! Gleichstrom: Veränderungen durch Elektrolyse (langsam) l h d d h l k l (l ) • Strom durch Körper Widerstand Widerstand Hand‐Hand, Hand‐Fuß Hand Hand Hand Fuß ca. 600‐1300 Ohm thermische Schädigungen, Nervenreizung durch Wechselstrom Wechselströme länger als 0,3 s: <0 5mA keine Reaktion <0,5mA keine Reaktion <12 mA Muskelreizung (therapeutisch!) <30 mA Muskelreaktion, ‐verkrampfung >30 mA Herzkammerflimmern möglich >30 mA Herzkammerflimmern möglich >50 mA ‐"‐ mindestens bei 5% >80 mA ‐"‐ mindestens bei 50% http://de.wikipedia.org/wiki/Stromunfall 4 7 Erdmagnetfeld 4.7 Erdmagnetfeld • magnetischer Dipol magnetischer Dipol im Erdinneren, Inklination i E di I kli ti 12° zur Rotationsachse, ca 5% Nicht‐Dipolanteile, zeitlich veränderlich, 30 km/a, schneller als Tektonik Ursache in flüssigem, äußeren Erdkern, Ursache in flüssigem äußeren Erdkern kein Permanentmagnet, da im Erdinneren T>>TCurie(Eisen)=744°C • selbst erregende Dynamomaschine: Konvektionsströmungen im Kern werden durch Corioliskraft tangential abgelenkt, Flüssigkeiten werden durch Zentrifugalkraft stärker abgeplattet, unterschiedliche Drehmomente zwischen Kern und Mantel – Magmaströme. Bei Erdkern von 3000 km ist Strom von I R2 3 109 A notwendig, da Stromdichte nur 10‐4 A/m ist, genügt E=10‐11 V/m. Rotation des Kerns im Remanenzfeld der Erdkruste erzeugt Induktionsstrom (Ladungen aus therm. Ionisation), der Feld verstärkt. • Magnetisches Gestein Magnetisches Gestein bei Sedimentierung von magnetischen Schwebeteilchen o. Erstarrung von Erruptionsgestein • Orientierung des Magnetfeldes über geologische Zeiträume: durch Analyse der Inklination magn. Gesteins in Kruste. Wandern des Pols, Polsprünge weiterer Beweis für Kontinentalverschiebung • schnelle Schwankungen schnelle Schwankungen des Magnetfeldes durch geladene Teilchen der Ionosphäre: bewegt durch Tageserwärmung und durch Gezeitenkräfte von Mond und Sonne durch Gezeitenkräfte von Mond und Sonne des Sonnenwinds oder von Sonneneruptionen beschleunigt in Feld –Polarlicht (Farben abhängig von Atomsorte) von Atomsorte) 4 7 Geolektrik 4.7 Geolektrik • Bestimmung Bestimmung der Leitfähigkeit der Leitfähigkeit des Bodens • • • • Vierpunktmessung Wirbelstrommessungen Wechselstrom (10 kHz), Transienten auch über Bohrlöcher • Lagerstättenprospektion: Erkundung von Kies‐, Sand‐, Ton‐ oder K lkl Kalklagerstätten tätt • Grundwassererschließung: Abgrenzung der grundwasserstauenden Schichten, Unterscheidung zwischen Salz‐ und Süßwasservorkommen Schichten, Unterscheidung zwischen Salz und Süßwasservorkommen • Störungszonen im Festgestein: Festlegung optimaler Bohransatzpunkte für die Einrichtung von Brunnen und Pegeln • archäologische Erkundung Anhang •