Ladungen & Felder - Mittelstufe

Elektrizitätslehre

Ladungen & Felder - Mittelstufe

  • Was sind elektrische Ladungen?
  • Welche besonderen Eigenschaften hat Bernstein?
  • Woher kommt der Name „Elektron“?
  • Gibt es eine kleinste Ladung?

Blitze in Gewittern

Hinweise:
Ein großer Teil der Informationen, Skizzen und Bilder auf dieser Seite wurden der leider nicht mehr zugänglichen Blitzseite von Ulli Finke (DLR) entnommen.
Weiter enthält diese Seite einige Begriffe, die in der 7. Klasse noch nicht erklärt wurden.

Blitze in Gewittern

Blitze sind elektrische Entladungen, die zwischen Gebieten unterschiedlicher Raumladung in der Wolke oder zwischen Wolke und der Erdoberfläche stattfinden. Blitze werden in Gewitterwolken beobachtet. Diese bilden sich, wenn feuchte Luft zum Aufsteigen und zur Kondensation gebracht wird. Bei der Kondensation wird Wärme frei, die den weiteren Aufstieg der feuchten Luft unterstützt, so dass sich die Wolke bis zum Oberrand der Troposphäre erstrecken kann. Bei uns und in den mittleren Breitengraden können Gewitterwolken bis in Höhen von 13 km reichen.

Vom Schönwetterfeld zum Blitz

Vom Schönwetterfeld zum Leitblitz
Abb.
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Vom Schönwetterfeld zum Leitblitz

Schönwetterfeld

In der Atmosphäre existiert permanent ein elektrisches Feld mit einer Feldstärke von etwa \(300000\,\rm{\frac{V}{m}}\) zwischen der Erdoberfläche und der Elektrosphäre (in ca. \(50\,\rm{km}\) Höhe). Der Erdboden bildet dabei den negativen Pol. Unter dem Einfluss dieses Feldes fließt ein Strom der Stärke \(1000\,\rm{A}\) vermittelt durch Ionen. Dieser Strom baut das Feld ab. Es ist daher ein entgegengesetzter Ladevorgang notwendig, um das elektrische Feld aufrecht zu erhalten. Dieses Aufladen des 'Erdkondensators' wird durch Gewitter besorgt.

Ladungstrennung

Durch verschiedene Prozesse innerhalb der Gewitterwolke findet eine Trennung von elektrischen Ladungen statt. Diese Ladungstrennung ist mikroskopischer und makroskopischer Natur. Im Resultat von Kollisionen und anderen Wechselwirkungsprozessen zwischen Eis- und Wasserteilchen sowie durch induktive Prozesse sind kleine Eisteilchen positiv geladen, während große Niederschlagsteilchen negative Ladungen tragen. Eine großräumige Trennung dieser Teilchen erfolgt dann durch die starken vertikalen Luftströmungen in der Wolke. Die leichten Eispartikel finden sich im oberen Teil der Wolke, wo sich somit ein positives Ladungszentrum aufbaut. Im unteren Teil der Wolke entsteht dagegen ein negatives Ladungszentrum. Das elektrische Feld zwischen der Wolke und der Erdoberfläche ist dabei dem Schönwetterfeld entgegengerichtet und lokal wesentlich stärker.

Leitblitz

Wenn die Feldstärke einen kritischen Wert überschreitet beginnt sich aus der Wolke negative Ladungsträger in Form des sogenannten Leitblitzes (engl. Leader) gerichtet auf die Erdoberfläche zuzubewegen. Dieser Leitblitz bewegt sich in Sprüngen von einigen 10 Metern. Seine mittlere Geschwindigkeit beträgt etwa 1/20 der Lichtgeschwindigkeit. Er hinterlässt einen dünnen, ionisierten Kanal, der kaum sichtbar ist und später vom Hauptblitz benutzt wird. Bei der Ausbildung des Leitblitzes entstehen auch die typischen Verästelungen.

Fangentladung, Hauptblitz und Ladungsdeposition
Abb.
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Fangentladung, Hauptblitz und Ladungsdeposition

Fangentladung

Bei der Annäherung des Leitblitzes an die Erde erhöht sich die Konzentration positiver Ladungsträger im Erdboden nahe der Oberfläche. Wenn schließlich die lokale Feldstärke einen kritischen Wert überschreitet, kommt dem Leitblitz vom Erdboden aus eine Fangentladung entgegen. Diese geht dabei meist von erhöhten Punkten wie Hausdächern oder Bäumen aus, da dort die maximalen Feldstärken erreicht werden.

Hauptblitz

Abläufe bei einem Wolke-Erde Blitz
Abb.
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Abläufe bei einem Wolke-Erde Blitz

Wenn der Blitzkanal geschlossen ist, bewegt sich die Ladung entlang des durch den Leitblitz ionisierten Kanals. Durch den Stromfluss heizt sich der Kanal auf, dabei wird Luft ionisiert und somit die Leitfähigkeit erhöht, was wiederum den Strom verstärkt. Auf diese Weise bleibt der Stromfluss auf einen dünnen Kanal begrenzt in dessen Zentrum Temperaturen bis zu \(30000\,^{\circ}\rm{C}\) erreicht werden können. Die Stromstärke kann über \(100\,\rm{kA}\) betragen.

Das erhitzte Plasma im Blitzkanal dehnt sich dann explosionsartig aus. Dabei entsteht eine Druckwelle von der intensive Schallwellen ausgehen - der Donner. Durch adiabatische Abkühlung sinkt die Temperatur wieder, die ionisierten Gase rekombinieren sich, die Leitfähigkeit nimmt wieder ab.

Die Hauptentladung (engl. Return-Stroke) dauert meist nur einige Mikrosekunden an. Es kann jedoch auch ein kontinuierlicher Strom für einige Millisekunden fließen. Abhängig ist dies vom 'Nachschub' an freien Ladungsträgern und auch von der magnetohydrodynamischen Stabilität des Blitzkanals. Die transportierte Ladungsmenge liegt in der Regel bei einigen Coulomb, die elektrische Energie bei einigen GigaJoule.

Die meisten Erdblitze bestehen aus mehreren Hauptentladungen, die den Kanal des ersten Blitzes nutzen. Die Zeit zwischen den einzelnen Entladungen liegt bei \(50-100\,\rm{ms}\). Die Folge dieser Entladungen bilden das charakteristische Flackern des Blitzes.

Ladungsdeposition

Die meisten Blitze haben negative Ladung zur Erde transportiert, es verbleibt daher nach Wolkenauflösung eine größere Anzahl positiver Ladungsträger in der oberen Troposphäre.

Blitzarten

Blitzentladungen werden unterschieden nach Richtung des Leitblitzes und danach, ob die Erde nach dem Blitz positiver oder negativer geladen ist. So ergeben sich die folgenden vier Blitzarten:

Verschiedene Blitzarten in schematischer Darstellung
Abb.
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Verschiedene Blitzarten in schematischer Darstellung

Etwa 90% der Blitze sind negative Wolke-Erde Blitze. Diese werden in der Wolke initiiert, breiten sich zur Erdoberfläche aus und transportieren negative Ladung zur Erdoberfläche. Achtung, der Ladungstransport erfolgt bei allen Blitzarten zum größten Teil über Elektronen, da diese leichter und beweglicher im E-Feld sind. Bei negativen Blitzen fließen diese aus der Wolke in den Erdboden, bei positiven Blitzen vom Erdboden in die Wolken.

Blitze treffen meist hohe Bauwerke, Bäume oder Berggipfeln oder gehen von diesen aus. Die Feldstärke ist in der Umgebung dieser Spitzen besonders hoch, so dass sie ein Ziel für Leitblitze bieten oder ein Leitblitz von ihnen nach oben ausgelöst werden kann. Auch finden viele Entladungen innerhalb einer Wolke statt und werden durch das Aufleuchten ganzer Wolkenbereiche sichtbar. Ein Teil dieser Entladungen kann in einen Erdblitz übergehen.

Bündelung mehrerer Blitze in einem Turm
Abb.
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Bündelung mehrerer Blitze in einem Turm
Zuschnitt von LEIFIphysik

In jüngster Zeit wird versucht, Blitze kontrolliert auszulösen und somit "unschädlich" zu machen. Dies hätte z.B. Vorteile für den sicheren Start und die Landung von Flugzeugen. Eventuell könnte man auch an die Gewinnung elektrischer Energie denken.

Entstaubung durch Elektrofilter

Bei Kraftwerken enthalten die Abgase vielerlei Partikel (Staub) deren Emission in die Umwelt verhindert werden muss. Die Partikelgröße variiert von ca. 0,01μm bis ca. 100 μm. Es gibt verschiedene Verfahren, mit denen man die Gasreinigung durchführt: Trockenentstaubung, Nassentstaubung und Elektroentstaubung.

Als Anwendung elektrischer Felder sollen hier die sogenannten Elektrofilter erläutert werden, die in kleiner Ausführung auch in Klimaanlagen Verwendung finden.

Röhren-Elektrofilter

In der Achse der geerdeten, zylinderförmigen Niederschlagselektrode befindet sich eine sogenannte Sprühelektrode, die sehr stark negativ aufgeladen ist. Von dieser Sprühelektrode wandern aufgrund der Spitzenwirkung (ein Draht besitzt einen kleinen Krümmungsradius) Elektronen zur Niederschlagselektrode. Auf dem Weg dorthin treffen sie auf Gasatome, die sie ionisieren. Es befinden sich zwischen den Elektroden also negative Elektronen und positive Ionen. Gelangt nun ein staubeladener Gasstrom in diese Anordnung, so lagern sich Elektronen aber auch die positiven Ionen an den Staubteilchen an und laden diese somit auf. Die auf diese Weise positiv geladenen Staubteilchen wandern zur Sprühelektrode, die negativen Teilchen zur Niederschlagselektrode. Von Zeit zu Zeit muss der Staubniederschlag von den Elektroden entfernt werden, was z.B. durch Klopfen geschieht.

Platten-Elektrofilter

Häufiger als der Röhren-Elektrofilter wird das Platten-Elektrofilter eingesetzt. Durch den Ionisator werden die Staubteilchen geladen (siehe oben) und dann in den unterschiedlich geladenen Kollektorplatten aufgefangen. Eine Klopfvorrichtung sorgt wieder dafür, dass der Raum zwischen den Kollektorplatten freigehalten wird.

Kleinere Staubteilchen lassen sich bei der Elektroentstaubung leichter, grobe Teilchen dagegen schwerer als in der mechanischen Entstaubung abscheiden. Daher ist den Elektrofiltern stets eine Trocken- oder Nassentstaubung vorgeschaltet (Vorabscheider).

Die Filterrückstände (Flugasche) werden deponiert oder in der Bauindustrie verwendet. 99,9% der im Rauchgas befindlichen Staubmasse kann durch Elektrofilter abgeschieden werden. Der Elektrofilter hat nicht für alle Korngrößen des Staubes den gleichen Abscheidegrad. Insbesondere Stäube mit kleinem Korndurchmesser (Feinstaub), an denen sich bevorzugt Schwermetalle und andere Schadstoffe (z.B. Dioxine) anlagern, werden nur zu ca. 95% zurückgehalten.

Im Gegensatz zu mechanischen Filtern braucht man bei Elektrofiltern weniger Energie, um die Rauchgase durch das Filter zu treiben.

 
Verständnisaufgabe

Die Abscheideleistung bzw. der Wirkungsgrad eines Elektrofilters hängt von der Gasgeschwindigkeit im Filter ab.

Interpretiere das nebenstehende Diagramm und versuche eine Plausiblitätserklärung.

Lösung

Je geringer die Gasgeschwindigkeit ist, desto höher wird der Wirkungsgrad.

Bei geringerer Gasgeschwindigkeit halten sich die geladenen Staubteilchen länger zwischen den Elektroden auf. Dies bedeutet, dass die elektrische Kraft auf sie länger wirken kann und es somit zu einer stärkeren Ablenkung kommt. Die Chance, dass ein Staubteilchen die Anordnung verlässt sinkt damit.

Fotokopierer und Laserdrucker

Sowohl beim Fotokopierer als auch beim Laserdrucker spielen elektrische Felder für das Gelingen des Druckes eine entscheidende Rolle. Die Bilder der folgenden Seite wurden teilweise aus Cutnell & Johnson: Physics entnommen.

Das Xeroxverfahren beim Kopieren (Trockentransferelektrofotografie)

Das Herzstück des Fotokopierers ist ein Aluminiumzylinder (2), der mit einer Selenschicht überzogen ist. Diese Selenschicht stellt bei Dunkelheit einen Isolator dar, während sie bei Belichtung leitend wird. Durch eine Hochspannungs-Elektrode (3) wird nun positive Ladung auf die gesamte Selenoberfläche gesprüht. So lange es dunkel ist, bleibt diese positive Ladung erhalten. Belichtet man das Selen, so wird es leitend und Elektronen können vom Aluminium durch das nun leitfähige Selen zur positiven Ladung gelangen und diese neutralisieren. In der folgenden Animation ist der Kopierprozess (etwas vergröbert) dargestellt.

1: Papiervorrat

2: Aluminiumtrommel mit Selenüberzug

3: Hochspannungselektrode 1 (zur Aufladung der Walze)

4: Hochspannungselektrode 2 (zur Aufladung des Papiers)

5: Geheizte Walzen zum Fixieren

6: Zu kopierendes Original

7: Lampen zur Ausleuchtung des Originals

8: Behälter für Kopien

2 Funktionsweise eines Fotokopierers oder Laserdruckers

Laserdrucker

 

Das Druckverfahren beim Laserdrucker ist dem beim Fotokopierer sehr ähnlich. Die zu druckende Information stammt jedoch nicht von einem Papier-Original sondern vom Computer-Speicher. Zur Belichtung der Selenwalze wird nicht gewöhnliches Licht sondern Laserlicht verwendet, das zeilenweise über die Selentrommel mit Hell-Dunkel-Informationen geschickt wird.

Die Trommel wird in dem nebenstehenden Beispiel negativ aufgeladen. Mit dem Laserstrahl werden auf der Trommel diejenigen Bereiche belichtet, die später schwarz werden sollen. Bei der Belichtung mit dem Laser verlieren die angestrahlten Punkte ihre Ladung. Auf diese Weise entsteht nun wie beim Kopierer ein "elektrisches Bild".

Der Toner ist ebenfalls negativ geladen und haftet nur an den Stellen der Trommel, die entladen wurden, alle anderen Bereiche der Trommel stoßen den Toner ab. Er bleibt schließlich am stark positiv aufgeladenen Papier haften. Der Fixierungsprozess läuft wieder wie beim Fotokopierer.

Tintenstrahldrucker

Die Bilder der folgenden Seite wurden teilweise aus Cutnell & Johnson: Physics entnommen.

Als preisgünstige Alternative zum Laserdrucker bieten sich die Tintenstrahldrucker an. Bei einer Entwicklungslinie dieser Drucker spielt wiederum die Elektrostatik eine wichtige Rolle. Einige Ausführungsformen der Tintenstrahldrucker arbeiten mit Tintentröpfchen, die nur bei Bedarf aus dem Druckkopf emittiert werden. Je nach der Art der Tropfenerzeugung unterscheidet man zwei Typen:

Bubble-Jet-Verfahren

Durch kurzzeitiges Aufheizen mit dem Heizelement entsteht im Druckkopf eine Dampfblase, es kommt zum Überdruck und ein Tintentropfen wird aus der Düse geschleudert.

zu einer Animation des Bubble-Jet-Verfahrens von HowStuffWorks

Piezo-Verfahren

Durch eine Spannung, die an den Piezokristall angelegt wird, krümmt sich dieser und verringert so das Volumen in der Druckdüse. Durch den entstehenden Überdruck wird ein Tropfen aus der Düse gepresst.

zu einer Animation des Piezo-Verfahrens von HowStuffWorks

Eine andere Entwicklungslinie der Tintenstrahldrucker, die nicht so verbreitet ist, benutzt einen kontinuierlichen Tröpfchenstrom, der wiederum zeilenweise über das Papier geführt wird (ca. 150000 Tropfen/s; Durchmesser kleiner 1/10 mm; Tropfengeschwindigkeit ca. 18 m/s). Um einen Text oder eine Grafik zu entwerfen, muss der Tropfenstrom auch zu unterbrechen sein, da sonst das ganze Papier eingefärbt wäre.

Zur Strahbeeinflussung dient eine Elektrode und ein Paar Ablenkplatten. Wenn der Strahl unterbrochen werden soll, wird die Elektrode aufgeladen. Durch Influenzeffekte werden die Tintentröpfchen aufgeladen und können durch die ihrerseits geladenen Ablenkplatten soweit aus der Geraden gebracht werden, dass sie nicht mehr auf das Papier sondern in einen Auffangbehälter gelangen (Rückflussmöglichkeit zum Tank).

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