Elektrodynamik von Blitzen
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- Christin Sauer
- vor 7 Jahren
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Transkript
1 David Schäfer Elektrodynamik von Blitzen (Electrodynamic of Lightnings) Quelle des Bildes: Fir0002/Flagstaffotos; Lizenz: GDFL 1/171
2 David Schäfer Übersicht Feldüberhöhungen an Kanten Elektrisch geladene, metallische Kartoffel Einfluss des Krümmungsradius auf das Feld Blitz und Funkenentladungen Was sind Blitz bzw. Funkenentladungen? Funken und Blitze im Alltag Gewitter Entstehung der Ladungstrennung in den Wolken Unterschiedliche Arten von Gewitterblitzen Typischer Ablauf eines LinienErdblitzes Einige Daten und Fakten zu Gewittern Wo schlägt der Blitz am wahrscheinlichsten ein? Schrittspannung bei Blitzeinschlag in der Nähe Empfohlenes Verhalten bei Gewittern 2/172
3 3/173 David Schäfer Feldüberhöhungen an Kanten I Elektrisch geladene, metallische Kartoffel D 2, E 2 n 12 Ladungen stoßen sich ab und sammeln sich auf Oberfläche. Mehr Ladungen an Auswölbungen. Beziehung zwischen Flussdichte und Flächenladungsdichte [2, S.102]: n 12 D 2 D 1 = D 2 = Feldlinien Aequipotentiallinien einer geladenen Kartoffel
4 4/174 David Schäfer Feldüberhöhungen an Kanten II Einfluss des Krümmungsradius auf das Feld Berechnung der elektrischen Feldstärke (Beispiel aus [1]): D n d A V = d V V D 2 D 1 Q 4 r 21/2 Q 1/2 = 4 r 1/2 D 1/ 2 = 1/2 1 = 2 Q1 Q2 = 4 r1 4 r2 r1 Q 1 = Q 2 r2 r2 r1 Q2 Q1 d D 2 = d r 2 r 1 Q2 4 r 22 D 1 = r2 D 2 r1 D 1 = Q1 4 r 21 = Q2 4 r 1 r 2 Beispiel: r 2 = 6 r 1 D 1 = 6 D 2
5 5/175 David Schäfer Blitz und Funkenentladungen I Was sind Blitz bzw. Funkenentladungen? Elektrische Entladung durch ein Gas, z.b. durch die Luft (sog. Gasentladung ). Stoßionisation der GasMoleküle. Lichtemission bei Rekombination. Überschlagsrechnung Durchbruchsfeldstärke Mittlere freie Weglänge eines Elektrons in Luft (trocken, Normaldruck, Raumtemperatur): d 1µm Ionisationsenergie: W O 12,5 ev W N 15 ev Ua W Durchschlagsfeldstärke: E = = d e d 6 E O 12,5 10 V/m Gemessen: 6 6 E Luft 3 10 V/m E N V/m E e O2 = e E F E e 2 2 O 2 e 2 2 Stoßionisation eines O2 Moleküls
6 David Schäfer Blitz und Funkenentladungen II Funken und Blitze im Alltag Entladung an der Türklinke. d 3 mm U =d E 9 kv (Ungenau wegen Überhöhung an Kanten) An/Ausziehen von Kleidungsstücken aus Polyester. Haare kämmen. Katze streicheln. Manche Lichtschalter und Netzteile. Technische Anwendung: Zündkerzen in Ottomotoren. Feuerzeuge mit piezoelektrischem Zünder. 6/176
7 7/177 David Schäfer Gewitter I Entstehung der Ladungstrennung in den Wolken sehr kalt Tröpfchen kalt warm Wind bis 150km/h Eiskristalle 5 4 Graupel Ladungstrennung durch Reibung 6 Influenzladung
8 8/178 David Schäfer Gewitter II Unterschiedliche Arten von Gewitterblitzen Wolkenblitz Wolkenblitze (innerhalb einer Wolke und zwischen Wolken) Erdblitze (zwischen Wolken und Erde) Positiv Erdblitz Negativ Erdblitz Negativblitz (95% aller Erdblitze) Positivblitz (5% aller Erdblitze) Erscheinungsformen (nach [4]): Wolken, Negativ und Positivblitz. Linienblitze, Flächenblitze, Perlschnurblitze, Kugelblitze, Wetterleuchten, Elmsfeuer, Elfen und Kobolde.
9 David Schäfer Gewitter III Typischer Ablauf eines LinienErdblitzes Leitblitz (stepped leader) 5 4 Fangentladung 6 (positive streamer) Hauptblitz (returnstroke) Quelle: Extrahiert aus Discovery Channel's "Raging Planet" Videoclip Videos: 9/
10 10 10/17 David Schäfer Gewitter IV Einige Daten und Fakten zu Gewittern Sichtbarer Blitz besteht aus durchschnittlich 4, bis maximal 42 einzelnen Hauptentladungen. [5][4] Länge NegativErdblitz 12 km. Bei PositivErdblitz bis 10 km. Durchmesser Blitzkanal ca. 510 mm. [5] Dauer Vorentladungen ca. 10 ms. Dauer Hauptentladung nur ca. 0,03 ms. Abstand ca ms. [4][5] Durchschn. Stromstärke Hauptentladung ca. 20 ka (Positivblitze: 200 ka) [4] Blitzröhre (Fulgurit) aus der Lüneburger Heide. Durchschn. Ladung Hauptentladung ca. 80 C (Positivblitze: 800 C) [3, S.95] Energie Hauptentladung 300 kwh. [6] Typische Maximalleistung ca. 1 TW. Temperatur bis C. [5] Gradient des Blitzstromes bis ca. 7 MA/s Induktion großer Spannungen. [4] Elektrische Feldstärke in Gewittern meist kleiner als V/m. [4]
11 David Schäfer Gewitter V Weitere Daten und Fakten zu Gewittern Weltweit ca Gewitter jeden Tag. [1] Weltweit ca. 100 Blitze pro Sekunde. [1] Blitze pro km² pro Jahr. Quelle des Bildes: NASA 11 11/17
12 David Schäfer Publikums JOKER! Wo schlagen Blitze am wahrscheinlichsten ein? A: In die spitzeste Ecke B: In Mulden und Vertiefungen C: In die höchst gelegene Stelle D: In glatte Oberflächen 12 12/17
13 David Schäfer Gewitter VI Wo schlagen Blitze am wahrscheinlichsten ein? 13 13/ V
14 David Schäfer 14 14/17 Gewitter VII Schrittspannung bei Blitzeinschlag in der Nähe Vereinfachte Simulation (2D) der Schrittspannung für einen Blitzeinschlag mit 20kA in einen Baum/Mast/Zaun: Potentialtrichter
15 David Schäfer Gewitter VII Schrittspannung bei Blitzeinschlag in der Nähe Vereinfachte Simulation (2D) der Schrittspannung für einen Blitzeinschlag mit 20kA in einen Baum/Mast/Zaun: Potentialtrichter Strompfade Hier ca. 300V Schrittspannung 15 15/17
16 David Schäfer 16 16/17 Gewitter IX Empfohlenes Verhalten bei Gewittern Schutz in festen Gebäuden oder Fahrzeugen (Faradayscher Käfig) suchen. Falls dies nicht möglich ist: Offenes und erhöht liegendes Gelände meiden. Nicht im Wasser aufhalten (z.b.: Seen, Flüsse, Pools). Keine scharfkantigen Metallgegenstände mitführen (z.b.: Fahrrad, Regenschirm, Kletterausrüstung). Arme an den Körper anziehen. Füße zusammen (wegen Schrittspannung). In eine Vertiefung hocken (auf keinen Fall hinlegen). Blitzeinschlag in den Eiffelturm 1902 Bauernweisheit Eichen sollst du weichen, Buchen sollst du suchen. ist falsch! Besser alle Bäume, Masten, Zäune und Türme meiden.
17 17 17/17 David Schäfer Danke für die Aufmerksamkeit! Quellen [1] Lewin W.: MIT 8.02 Electricity and Magnetism (Vorlesungsaufzeichnung) [2] Erni, D. : Theoretische Elektrotechnik 12 (Vorlesungsskript) [3] Vorreiter L.: BlitzHandbuch (Buch) Selbstverlag München. [4] [5] [6]
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