Elektrostatik in Natur und Technik

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Elektrostatik in Natur und Technik
Reibungselektrizität:
Unterschiedliche effektive Bindungsenergie
Kontaktspannung
LMU
E. Riedle
E. Riedle
E2p
Physik
26.06.2007
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elektrisches Feld der Erde:
E | 130 V/m
positive geladene Teilchen werden durch Wind nach oben getragen.
Gewitter
vertikale Luftströmung
o Ladungstrennung
5
-4
Blitz | 10 C / 10 A / 10 s
http://www.muk.uni-hannover.de/~finke/
E. Riedle
LMU
Physik
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Farbbeschichtung:
Koronaentladung
v
qE
6 S Kr
Staubfilter:
Gasentladung
o negative
Aufladung
E. Riedle
LMU
Physik
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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
E. Riedle
LMU
Physik
http://www.muk.uni-hannover.de/~finke/
Elektrische Vorgänge in der Atmosphäre
Ulli Finke
Institut für Meteorologie und Klimatologie
Universität Hannover
Geschichte
Franklins Drachenexperiment:
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Drachenaufstieg in Gewitterwolke
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Funken zwischen Drachenschnur
und geerdetem Metallgegenstand
(Schlüssel)
Nachweis
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der Existenz von Elektrizität in der
Atmosphäre
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Wolken sind elektrisch geladen
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elektrische Natur der Blitze
Beobachtungen
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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
• 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)
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
Globaler Elektrischer Kreislauf
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•
•
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Ströme: Blitz-, Leitungs-(Schönwetter, unter,
über, in Wolken), Korona-, Niederschlags-,
Maxwell-, Verschiebungs-
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
Gewitterwolken
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•
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
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•
•
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, Unterschiede im Auf- und Abwindbereich
• oft mehr als 3 Schichten beobachtet
• Schirmschicht an den Wolkengrenzen
• erhöhte Kleinionenkonzentration unter
der Wolke durch Korona-Ionisierung
Blitz: Hauptentladung
•
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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:
Länge des Blitzkanals:
sichtbarer Durchmesser:
•
Donner ist Stoßwelle der expandierenden Luft
109 - 1010 J (300 - 3000 kWh)
5 km
15 cm
Blitzvorgang
Leitblitz:
Geschwindigkeit: 105 m/s
Schrittlänge: 10-100 m
Hauptentladung:
Geschwindigkeit: 108 m/s
Richtung der Welle immer vom
Boden zur Wolke
stufenförmiger
Leitblitz
direkter
Leitblitz
Hauptentladung
Hauptentladung
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
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•
Max. Stromstärke:
Ladungsfluß:
Dauer des Stromflusses:
10-30 kA
2-5 C
40-70 ms
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•
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Kerntemperatur:
Gesamtenergie:
Länge des Blitzkanals:
sichtbarer Durchmesser:
30 000 K (innerhalb 2cm)
109 - 1010 J (300 - 3000 kWh)
5 km
15 cm
Blitztypen
Wolkeninterne Entladungen (IC)
• IC/CG = 10/1
Wolke-Boden-Blitze (CG)
• Amplitude
Klassifikation der CG-Blitze nach Richtung des Leitblitzes
Wolke-Boden (95%)
Boden-Wolke (5%)
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
Explodiert, aufgesprengt
durch verdampftes Wasser
Typische Spiralstruktur
Blitzschäden: Lebewesen
Schädigung durch direkten Einschlag,
Übersprung oder induzierte
‚Schrittspannung‘
• Verbrennungen
• bio-elektrische Störung,
Herzstillstand
Infolge Blitzschlag bewußtlose
Personen können häufig durch ErsteHilfe-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) in
elektrostatischem Feld