Die Feldmühle

Die Feldmühle
Messmethoden des elektrischen Feldes der Erdatmosphäre
Torsten Schulz
Institut zur Erforschung
der Atmosphäre der Erde
Dezember 2012
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Die Erdatmosphäre
Messmethoden für das elektrische Feld
Die elektrische Feldmühle
Feldmühle eichen & aufstellen
Betrachtung der Messergebnisse
Literatur
Die Erdatmosphäre
Die Atmosphäre der Erde besitzt ein permanent aufgebautes elektrisches Feld. Es
befindet sich zwischen der gut elektrisch leitenden Ionosphäre und der Erdoberfläche. Die
Stärke des Feldes ist abhängig von der Luft als Dielektrikum des übergroßen
Kugelkondensators. Die Größe und Richtung dieses Feldes gibt Auskunft über den
aktuellen Zustand der Atmosphäre. Luftfeuchte und geladene Wolken und besonders
Gewitterwolken verändern ständig dieses elektrische Feld. Es ist auch an jedem Ort
unterschiedlich. Typische Änderungen des Feldes ermöglichen eine relativ genaue
Voraussage von potentiellen Blitzentladungen auf einem engen Raum. Mögliche Einsätze
für eine Messung des elektrischen Feldes sind daher Veranstaltungen, die soweit wie
möglich weiter betrieben werden sollen, bevor der Blitzschlag höchst wahrscheinlich
eintreffen wird. Hohe Springbrunnen werden abgeschaltet, Fußballspiele werden
unterbrochen und die Antennen von mobilen TV-Übertragungswagen werden erst dann
eingezogen, wenn der Blitz unmittelbar vor seiner Entladung steht. Sobald das elektrische
Feld eine Stärke von 25 bis 35 kVm-1 erreicht hat, muss mit einer Entladung gerechnet
werden. Während der Entladung bricht das Feld zusammen. Der Kondensator wurde
sozusagen überbrückt.
Interessant ist, dass es auch ein elektrisches Feld gibt, wenn das Wetter völlig frei von
Wolken ist. Dieses Feld wird Schönwetterfeld (fair weather field) genannt. In der Nähe der
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Erdoberfläche beträgt es etwa 100 bis 130 Vm-1. Woher das Schönwetterfeld kommt, ist
nicht ganz geklärt. Die allgemeine Auffassung besagt, dass die Summe aller aktiven
Gewitter auf der Erde dieses Feld dauerhaft auflädt. Da der Luftwiderstand relativ gering
ist, entlädt sich der beschriebene Kugelkondensator der Erdatmosphäre selbst relativ
schnell. Er muss daher immer nachgeladen werden.
Nach oben nimmt das Feld ab. Der Mensch bemerkt das Feld nicht. Er ist soweit elektrisch
leitend, dass er komplett das Erdpotential annimmt, wodurch kein Potentialunterschied
entstehen kann. Sofern man Linien einzeichnet, an denen das elektrische Feld das gleiche
Potential hat, sogenannte Äquipotentiallinien, ergibt sich das folgende Bild.
Dadurch wird erkennbar, dass au den Spitzen von Bäumen und Häusern diese Linien
enger zusammen liegen. Das Feld ist an diesen Stelle am stärksten und dadurch schlägt
hier bevorzugt der Blitz ein. Sie werden daher genutzt, um die Fangstangen der
Blitzableiter zu montieren.
Messmethoden für das elektrische Feld
Das elektrische Feld der Atmosphäre ist noch nicht sehr weit erforscht. Neben der
Forschung gibt es aber bereits praktische Gründe, dieses Feld zu messen und zu
beobachten. Die Messung des Feldes ist nicht ganz einfach. Der einfachste Weg, das Feld
zu messen, wäre ein Spannungsmesser in einem Meter Höhe und der Erde zu schalten
und die Spannung abzulesen. Wegen des geringen Innenwiderstandes vom Messgerät ist
diese Art der Messung leider nicht möglich.
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Das Elektroskop hingegen hat einen nahezu unendlichen Innenwiderstand. Es basiert auf
dem einfachen Effekt, dass sich gleiche Ladungen gegenseitig abstoßen. Ein leichtes
Anzeigeelement wird parallel zum elektrischen Leiter drehbar angebracht. Das elektrische
Potential treibt beide Leiter auseinander. Der Ausschlag des beweglichen Zeigers ist nicht
immer proportional zum angelegten Feld. Das Elektroskop dient eher zur Anzeige, ob eine
elektrische Ladung vorhanden ist. Eine genaue Messung ist damit nicht möglich.
Da eine direkte Messung nicht funktioniert, wurde versucht über proportionale Werte die
Feldstärke zu messen. Über die Änderung der Feldstärke ist das möglich geworden. Das
Prinzip basiert auf der Wilson-Platte. Dabei wird das elektrische Feld, das auf die
Elektroden wirkt, periodisch abgedeckt und damit das elektrische Feld für das Messgerät
abgeschirmt. Es entsteht durch die permanente Änderung eine Wechselspannung, die
proportional zum elektrischen Messfeld ist.
Ein Operationsverstärker mit extrem hohem Innenwiderstand sowie eine Gleichrichtung
des Signals ermöglichen eine gute Anzeige und Möglichkeiten zur Protokollierung. Ein
geeichtes Messgerät dieser Bauweise ist hervorragend für die Messung des elektrischen
Feldes der Erdatmosphäre geeignet.
Die elektrische Feldmühle
Das weit verbreitete Messgerät nach diesem Prinzip ist die elektrische Feldmühle oder
Rotationsvoltmeter. Es besteht aus einer in vier Segmente geteilten kreisförmigen
Scheibe, deren vier Segmente von einer zweiten rotierenden Scheibe abwechselnd
abgedeckt und wieder dem elektrischen Feld ausgesetzt werden. Erst durch die
Entwicklung der Elektronik wurde es möglich die recht kleinen Differenzen zu verstärken
und anzuzeigen.
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Üblicher Weise werden die zwei gegenüberliegenden Segmente miteinander verbunden,
so dass zwei elektrisch getrennte Elektroden entstehen. Der Spannungsabfall über einen
parallel geschalteten Widerstand zur Erde wird gemessen und verstärkt. Dadurch werden
zwei Wechselspannungen erzeugt, die in Ihrer Amplitude gleich aber um 180 grad
Phasenverschoben sind. Ein nachgeschalteter Differenzverstärker filtert Störfrequenzen,
wie beispielsweise das Netzbrummen heraus. Die Störsignale treten auf beiden
Elektroden gleich auf und können voneinander subtrahiert werden.
Das Messsignal wird anschließend gleich gerichtet. Dazu wird eine Lichtschranke benutzt,
die zusätzlich an der Welle der rotierenden Segmentscheibe montiert ist. Nach diesem
Signal wird eine der beiden Halbwellen auf die andere Seite geklappt. Ein
nachgeschalteter Tiefpass bereitet das Signal weiter auf, das im Ausgangsverstärker auf
die anzeigbare Größe verstärkt wird.
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Die oben gezeigt Schaltung ist stark vereinfacht um möglichst übersichtlich das Prinzip
darzustellen. Die von links gesehen ersten zwei Operationsverstärker sichern ein
hochohmiges Eingangssignal. Die beiden Signale sind in den Linien a und b im Diagramm
dargestellt. Der nachgeschaltete Differenzverstärker erzeugt das Signal c. Mithilfe des
Signals von der Lichtschranke d wird eine der Halbwellen umgepolt. Das RC-Glied ebnet
die pulsierende Spannung e zur Angezeigten Spannung f.
Die zylindrische Feldmühle ist eine Sonderform. Dabei wird ein waagerecht zum
elektrischen Feld rotierender Zylinder genutzt. Die elektrisch leitfähige Oberfläche des
Zylinders wird in zwei Hälften elektrisch getrennt. Über zwei Abnehmer wird das Signal
dem Messverstärker zugeführt und ähnlich wie bei der Segment-Feldmühle verstärkt und
aufbereitet. Vorteil dieser Bauform ist, dass sie auf der Spitze von Flugzeugen montiert
auch Messungen in verschiedenen Höhen vornehmen kann. Nachteil ist, dass die Polarität
des elektrischen Feldes nicht eindeutig bestimmt werden kann.
Der Vollständigkeit halber soll hier noch die Vibrationsfeldmühle genannt werden. Sie
generiert den Wechselstrom durch eine periodische Abdeckung, wie bei der eingangs
erwähnten Wilson-Platte. Diese Systeme haben sich als sehr störanfällig gegen
verschiedene Beeinflussungen des elektrischen Feldes erwiesen.
Feldmühle eichen und aufstellen
Die Feldmühle zeigt eine Spannung an, die dem Wert der Feldstärke proportional ist.
Damit die Skala der Voltmessers eine Feldstärke anzeigen kann, muss das Gerät geeicht
werden. Das funktioniert am besten im homogenen Feld eine großen Plattenkondensators.
Seine Feldstärke lässt sich einfach berechnen und bietet somit gute Vergleichswerte für
das Eichen.
Die Feldstärke F im homogenen Plattenkondensator ergibt sich aus dem Quotient aus der
Spannung U und dem Plattenabstand d.
U
F = --d
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Solch ein Plattenkondensator kann relativ einfach aufgebaut werden. Darin wird die
Feldmühle platziert und geeicht. Sofern die elektrische Feldmühle zur Messung des
elektrischen Felds der Erde genutzt werden soll, ergibt sich ein zu erwartender
Messbereich von 100 Vm-1 bis etwa 35 kVm-1. Der zweite Wert für die Konstruktion des
Kondensators ergibt sich aus der Höhe der Feldmühle. Optimal wäre es, wenn das
messende Element der Feldmühle, die Segmentscheibe, mit einer Elektrode auf einer
Ebene angebracht werden kann. Bei einem Plattenabstand von beispielsweise 50 cm und
einer angelegten Spannung von 50 Volt entsteht ein Feld von exakt 100 Vm-1. Um die
Linearität des Messungen nachzuweisen sollte die Spannung schrittweise erhöht werden
und wiederholt gemessen werden. In einem Diagramm dargestellt sollte die an den
Plattenkondensator angelegte Spannung zur angezeigten Spannung (Feldstärke)
proportional sein und somit eine Gerade ergeben. Für einen Nachweis der Linearität sollte
der gesamte zu erwartende Messbereich zum Eichen genutzt werden. Da die
Durchschlagfestigkeit von Luft bei 3,3 kVmm-1 liegt ist ein Entladung zwischen den
Elektroden des Kondensators in diesem Beispiel sehr unwahrscheinlich.
Der Standort für die Feldmühle muss sorgfältig gewählt werden. Dabei werden Standorte
außerhalb von Gebäuden der Montage in geschlossenen Räumen immer bevorzugt. Der
gewählte Standort hat eine direkte Auswirkung auf die Messergebnisse der Feldmühle.
Generell gelten höher gelegene Standorte als die besten. So ist eine Montage auf dem
Flachdach eines Gebäude sehr gut gewählt. Ungünstig sind Standorte am Boden neben
anderen Gebäuden oder hohen Bäumen.
Natürlich muss auch darauf geachtet werden, dass man einen freien Zugang zur
Feldmühle hat, um Wartungen zum Reinigen und Enteisen durchführen zu können. Oft
werden die Feldmühlen so montiert, dass die beweglichen Teile der Feldmühle nach unten
zeigen. Dadurch sind Witterungseinflüsse von Regen und Schnee minimiert. Auf die
Messung hat die Montage ab einer Höhe von 1,5 m kaum noch einen Einfluss. Bei der
Installation auf dem Boden sollte noch bedacht werden, dass kein wachsendes Unkraut
das Feld beeinflussen kann. Vorzugsweise kann die Stelle unter der Feldmühle mit einer
Gehwegplatte bedeckt werden. Auf jedem Fall muss die Feldmühle gut geerdet werden.
Entweder mit einem Kreuzerder direkt neben der Feldmühle im Freien oder über den
geerdeten Potentialausgleich von Gebäuden.
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Betrachtung der Messergebnisse
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Das Schönwetterfeld beträgt etwas über 100 Vm-1 und ist vor Annäherung der Wolke zu
messen. Bei weiterer Annäherung der Wolke verstärkt sich dieses Feld. Die positive
Ladung am oberen Ende der Wolke macht sich bemerkbar. Der erhöhte Wert der
gemessenen Feldstärke setzt ein Achtungszeichen. Sobald die Wolke über der Feldmühle
ist, macht sich die Ladung am unteren Ende der Wolke bemerkbar und das angezeigte
Feld wird schnell negativ. Die Wahrscheinlichkeit für einen Blitzeinschlag ist jetzt an
höchsten. Der Blitz würde das elektrische Feld kurzzeitig zusammenbrechen lassen. Eine
sprunghafte Änderung wäre angezeigt. Der Wechsel des Feldes zurück zum positiven
Bereich deutet auf eine Entwarnung hin, bis sich das Schönwetterfeld wieder einstellt.
Literatur
Boltek Corporation, Installation / Operators Guide EFM-100 Atmospheric Electric Field
Monitor, EFM100-1000120-050205
Kneifel, Stefan, Messung des elektrostatischen Feldes der Atmosphäre mit einer
Feldmühle, Praxisheft 11 und 12 für Amateurfunk und Elektronik in Schule und Freizeit
MacGorman, Donald R. / Rust, W. David, The Electrical Nature of Storms, Oxford
University Press Oxford, 1998, ISBN: 0-19-507337-1
Wiese, Hendrik / Spychala, Michael / Rath, Janik von / Papenbreer, Philipp / Notaro,
Fabian, Vermessung von elektrostatischen Feldern mithilfe einer Feldmühle, 11. August
2009
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