Elektrostatik und Blitze in der Umwelt

Blitze und Elektrostatik in der
Umwelt
Eine Präsentation von
Carina Döring,
Felix Kramer,
Linda Mickler
Gliederung
• Wo begegnen Dir Blitze im Alltag?
• Wie ist das möglich?
• Ein kleines Quiz
Wo findet ihr Blitze in
eurem Alltag?
Zwei kleine Versuche
Schüssel
• Müllbeutel auf einem
Tisch auslegen und
festkleben
• Metallschüssel an dem
Knetgummigriff kräftig auf
dem Beutel hin und her
reiben
• Metallschüssel hoch
nehmen und eine
Glimmlampe daran halten
Luftballon
• Einen Luftballon an den
Haaren reiben, bis die
Haare zu Berge stehen
• Eine Glimmlampe an den
Ballon halten
Beobachte was passiert !!
Die Glimmlampe leuchtet auf der der
Schüssel abgewandten Seite kurz auf
Ein kurzes Knistern ist zu hören
Die Glimmlampe auf der dem Luftballon
zugewandten Seite auf
Ein kurzes Knistern ist zu hören
Elektrizität, hist.
• Die alten Griechen entdeckten, dass wenn
man einen Bernstein kräftig an Tierfell
oder Stoffen reibt, er anschließend eine
seltsame Kraft auf kleine Stoff- oder
Fellfetzen ausübt
• Da das griechische Wort für Bernstein
„Elektron“ heißt, nennt man diese Kraft
seit ca. 1600 n.Chr. „Elektrizität“
Elektrizität, hist.
• Später entdeckte man, dass es zwei „Arten“ von
Elektrizität geben müsste, da Körper sich
entweder gegenseitig anzogen oder abstießen
• Man ging dazu über, sie in positive und negative
Elektrizität zu unterteilen
• Franklin entdeckte, dass man Körper
elektrisieren kann, wenn man ihre positive von
der negativen Elektrizität trennen kann
 dann ist ein Körper geladen
Wie kann man Körper laden?
• Den gleichen Effekt, den die Griechen
entdeckten kann man erzielen, indem man sich
mit einem Kunststoffkamm durch die Haare fährt
• Dabei kann es passieren, dass man die äußeren
Elektronen von Atomen der Haare abstreift und
sie auf dem Kamm verbleiben
• Den Haaren fehlen nun Elektronen, wodurch sie
einen Überschuss an positiver Ladung besitzen
• Der Kamm hat nun einen Elektronenüberschuss
und ist somit negativ geladen
Wie entladen sich Kamm und
Haare wieder?
• Bringt man Kamm und Haare zusammen
in Berührung, so können die
überschüssigen Elektronen auf dem
Kamm wieder zurück auf die Haare
überspringen
 Neutralisation/Ladungsausgleich
Wann knistert es beim Kämmen?
• Ist die negative Ladung des Kammes
ausreichend groß, so müssen sich Kamm
und Haare zur Neutralisation nicht
berühren
• Kommen sie sich zu nahe, so
neutralisieren sie sich, indem kleine Blitze
überschlagen
• Das Knistern ist also ein kleines
„donnerndes Gewitter“ auf deinem Kopf
Ist ein Gewitter wie Haarkämmen?
• In einer Gewitterwolke passiert nichts anderes, als wenn
du dir die Haare kämmst
• Durch starke Hitze in Bodennähe verdunstet viel Wasser
 es ist drückend schwül
• Der Wasserdampf steigt bis in eine Höhe in der er
gefriert
• Beim Sich- Auftürmen der Gewitterwolke trennen sich in
ihrem Innern die Ladungen durch Reibung und
Zerstäuben der Wasserteilchen: Die Eiskristalle laden
sich positiv auf, die Tropfen negativ
(www.weltderphysik.de)
Was geschieht weiter?
• Die Wassertröpfchen am unteren Teil der
Gewitterwolke werden immer stärker negativ
geladen
• Die positiven Eiskristalle befinden sich oben
• Zwischen dem unteren Teil der Wolke und der
Erde besteht nun ein erhebliches elektrisches
Feld (ungefähr 170.000 Volt pro Meter)
• Ist dieses groß genug, so blitzt es
„Das geht doch gar nicht!“
• Luft kann doch gar nicht leiten!
Oder etwa doch???
• Offenbar schon!
Kann Luft leiten?
• Hier ein kleiner Versuch:
Der Aufbau besteht aus einem TeslaTransformator, der die Spannung aus der
Steckdose von 220 Volt auf etwa 10.000 Volt
transformiert
• Diese Spannung liegt an einem Metalldraht an,
der einem geerdeten gegenüber steht
• Bringt man die Drähte nah genug zusammen, so
springt ein Lichtbogen über
Klicke den Versuch an!
Film
Wie geht das?
• Durch das starke elektrische Feld zwischen
Gewitterwolke und Erde, oder wie hier im
Versuch zwischen den beiden Drähten, wird die
Luft ionisiert und somit leitfähig
Aber was bedeutet das?
(Wie hier im Versuch funktioniert übrigens auch
ein so genannter Überspannungsableiter, wie er
Anwendung bei Hochspannungsanlagen findet)
Leitfähigkeit durch Ionisation
• Durch das elektrische Feld werden den
Luftmolekülen Elektronen entzogen
 sie sind ionisiert
• Die Elektronen werden von der Erde entzogen,
da im unteren Teil der Gewitterwolke ein
Elektronenüberschuss herrscht (also ist die Erde
der positive „Gegenpol“)
Die Wolke liefert Elektronen nach, also fließt
ein Strom zwischen Wolke und Erde
 Es blitzt!
Aber warum leuchtet ein Blitz?
• Durch Abstoßung von Erde oder Wolke
werden die Ionen sehr stark beschleunigt
und geben, wenn sie auf andere
Luftmoleküle oder Ionen treffen Energie in
Form von Licht ab
 Der für uns sichtbare Blitz
Warum donnert es?
• Ein Blitz entwickelt so hohe Temperaturen, dass
sich die Luft um ihn herum schlagartig mit
Überschallgeschwindigkeit ausdehnt
 es gibt einen lauten Überschallknall
• Durch Reflexion der Schallwellen an Bergen,
Wolken, etc. gelangt der Schall über
unterschiedliche Wege und somit zu
unterschiedlichen Zeiten in unser Gehör (Echo)
 es grummelt und grollt
Quiz
1.) Wie viel Spannung kann in
Gewitterwolken, bevor es zur
Blitzentladung kommt, auftreten?
•
•
•
•
170 Volt pro Meter
170 Tausend Volt pro Meter
170 Millionen Volt pro Meter
170 Milliarden Volt pro Meter
2.) Wo bist du am sichersten
Platz während eines Gewitters?
•In der Mitte eines Feldes
• Im Haus
• unter einem Auto
• Flach mit dem Gesicht nach unten
auf dem Boden liegend
3.) Wie entsteht Donner?
• Durch ionisierte Teilchen, die aufeinander
stoßen
• Durch Gasentladungen die gegen Gebirge oder
hohe Gebäude prallen
• Durch plötzliche Ausdehnung der Luft mit einer
Geschwindigkeit oberhalb der
Schallgeschwindigkeit
• Durch ein starkes elektrisches Feld der sog.
Blitzkanal, der auf die Erde in
Schallgeschwindigkeit stößt
4.) Ist das Benutzen eines Telefons
während eines Gewitters gefährlich?
• Ja
• Nein
5.) Womit kannst du keine Blitze
erzeugen?
• Wolle und Glimmlampe
• Gummi und Glimmlampe
• Metall, Plastik und Glimmlampe
• Glas und Glimmlampe
6.) Welche Personen werden
durchschnittlich am häufigsten getötet?
•
•
•
•
Angler
Golfer
Jogger
Bauern
7.) Wo schlägt der Blitz nicht ein?
• In hohen Gebäuden und Bäumen
• In Regenschirme
• In mehreren tiefen Metern unter der
Wasseroberfläche
• In Haarnadeln
1.) Wie viel Spannung kann in
Gewitterwolken, bevor es zur
Blitzentladung kommt, auftreten?
• 170 Tausend Volt pro Meter
2.) Wo bist du am sichersten Platz
während eines Gewitters?
• der weitaus sicherste Platz während eines
Gewitters ist in einem Haus oder
Gebäude.
• Die Metall Installationen und Drähte in den
Wänden bilden eine Schutz-Barriere.
• Durch Blitzableiter geschützt
3.) Wie entsteht Donner?
• Durch plötzliche Ausdehnung der Luft mit
einer Geschwindigkeit oberhalb der
Schallgeschwindigkeit
4.) Ist das Benutzen eines Telefons
während eines Gewitters gefährlich?
• Ja. Der Blitz kann in Telefonkabel oder
Stromleitungen einschlagen und dadurch
in dein Haus gelangen. Durch die
Telefonschnur und den Handapparat zu dir
gelangen und dir einen Stromschlag
versetzen.
• Schnurlose Telefone sind nicht gefährlich,
da keine physikalische Verbindung
besteht.
5.) Womit kannst du keine Blitze
erzeugen?
• Glas und Glimmlampe, weil Glas ein
elektrischer Isolator ist
6.) Welche Personen werden
durchschnittlich am häufigsten getötet?
• Gemäß einer Studie von Dr. Martin A Uman, die
er 1971 in seinem Buch "Understanding
Lightning" veröffentlichte waren vom Blitz
getöteten Personen:
• 29% Bauern
• 19 % Golfer
• 15 % Angler
• Jogger wurden in der Studie nicht aufgeführt.
7.) Wo schlägt der Blitz nicht ein?
• In mehreren tiefen Metern unter der
Wasseroberfläche
Quellen
• http://www.wissen.swr.de/warum/blitze/the
menseiten/t3/images_content/franklingesc
hnitten.jpg
• http://www.meteoros.de/light/blitz.htm
• Was ist was, Band 24 Elektrizität, Auflage
8/1994 ,Tessloff Verlag Nürnberg
• Dorn-Bader, Physik Mittelstufe, Schroedel
Schulbuchverlag GmbH, Hannover 1992