Der Faradaysche KĂ€fig
Im Gewitter ist man im Auto sicher, weil die Gummireifen das Auto gegen den Blitz isolieren.
ErklĂ€rung: Ein Blitz, der Kilometer Luft durchschlagen hat, wird von wenigen Zentimetern Gummi nicht aufgehalten. Der Schutz ist die leitende Karosserie â ein Faradayscher KĂ€fig, dessen Influenzladungen das Ă€uĂere Feld im Innenraum kompensieren und der den Blitzstrom ĂŒber die AuĂenhaut zur Erde fĂŒhrt.
Ein ungeerdeter Metallblock wird in ein Ă€uĂeres elektrisches Feld gebracht. In den ersten Nanosekunden herrscht in seinem Inneren noch ein Restfeld. Was geschieht, solange es besteht?
ErklĂ€rung: Solange innen ein Feld herrscht, wirken KrĂ€fte auf die freien Elektronen und sie wandern. Gleichgewicht ist erst erreicht, wenn die verschobenen Ladungen das Ă€uĂere Feld im Inneren exakt aufheben â deshalb ist das Innere eines Leiters im elektrostatischen Gleichgewicht feldfrei, ganz ohne Erdung.
Experiment im Applet â verdopple das Ă€uĂere Feld Eâ. Was macht die FeldstĂ€rke im Innenraum des Autos?
ErklĂ€rung: Die Influenzladungen auf der Karosserie stellen sich bei jedem Ă€uĂeren Feld neu so ein, dass ihr Gegenfeld es im Inneren exakt aufhebt. Der Innenraum bleibt feldfrei â das ist keine Frage der FeldstĂ€rke, sondern des elektrostatischen Gleichgewichts.
Ein Blitz schlÀgt einmal in eine 20 m hohe Eiche ein, unter der Ole steht, und einmal in ein Auto mit Blechkarosserie, in dem Mia sitzt. Wen erreicht eher ein gefÀhrlicher Strom?
ErklĂ€rung: Die Höhe macht den Baum zum wahrscheinlichen Einschlagsort, aber anders als die Karosserie umschlieĂt er keinen feldfreien Innenraum. Der Strom quĂ€lt sich durch den Stamm (Explosionsgefahr) und breitet sich im Boden aus â direkt daneben zu stehen ist lebensgefĂ€hrlich. Im Auto flieĂt er auĂen ĂŒber das Blech.
Nach einem Einschlag in einen Baum breitet sich der Strom radial im Boden aus. Warum sollen umstehende Personen die FĂŒĂe zusammenstellen?
ErklĂ€rung: Das Potential fĂ€llt rund um die Einschlagstelle steil ab. Stehen die FĂŒĂe einen Schritt auseinander, liegen sie auf verschiedenen Potentialen â die Differenz treibt einen Strom durch Beine und Rumpf. FĂŒĂe zusammen minimiert diese Potentialdifferenz.
Auch ein Flugzeug wirkt bei einem Blitztreffer als Faradayscher KĂ€fig â der Strom flieĂt ĂŒber die AuĂenhaut, die Kabine bleibt feldfrei.
ErklĂ€rung: Verkehrsflugzeuge werden im Schnitt etwa einmal pro Jahr getroffen. Die leitende AuĂenhaut fĂŒhrt den Strom um die Kabine herum â dasselbe Prinzip wie beim Auto, nur ganz ohne Reifen. Gummireifen sind offensichtlich nicht der Grund fĂŒr den Schutz.
Im Inneren einer geschlossenen leitenden HĂŒlle ist das elektrische Feld im Gleichgewicht E = ___.
ErklĂ€rung: Jedes Restfeld wĂŒrde die freien Elektronen weiter verschieben; Gleichgewicht herrscht erst bei E = 0 im Inneren.
Ein geschlossener Blechcontainer steht unter einer Gewitterwolke. Das Ă€uĂere Feld steigt von 100 auf 300 kV/m. Was zeigt ein FeldmessgerĂ€t im Container?
ErklĂ€rung: Die Influenzladungen auf dem Blech wachsen mit dem Ă€uĂeren Feld und heben es innen bei jedem Wert exakt auf.
Im Gewitter schĂŒtzt im Auto nicht der Gummi der Reifen, sondern die leitende ___.
ErklĂ€rung: Die Karosserie aus Blech ist der Faradaysche KĂ€fig. Ein Cabrio mit Stoffdach oder ein Auto mit Kunststoffkarosserie schĂŒtzt deshalb nicht.
Stelle in der Figur Eâ = 150 kV/m und Ï = 0 ein, ein Auto ohne leitende HĂŒlle. Welches Feld Eᔹ zeigt die Anzeige im Innenraum (in kV/m)?
ErklĂ€rung: Ohne leitende HĂŒlle kann sich keine Influenzladung bilden; das Feld lĂ€uft ungehindert durch den Innenraum, Eᔹ = Eâ = 150 kV/m.
Die Spannung zwischen zwei auseinanderstehenden FĂŒĂen in der NĂ€he eines Einschlags heiĂt ___.
ErklĂ€rung: Das Potential fĂ€llt um die Einschlagstelle steil ab; die Differenz zwischen zwei FĂŒĂen treibt einen Strom durch die Beine.
Du bist auf einer offenen Wiese, das Gewitter ist direkt ĂŒber dir, 20 m entfernt steht eine einzelne Eiche, weit und breit kein Auto und kein Haus. Was tust du?
ErklĂ€rung: Unter dem Baum springt der Strom ĂŒber, und liegend ĂŒberbrĂŒckt der Körper die gröĂte Schrittspannung. FĂŒĂe zusammen und hocken ist die Notlösung, die die Schrittspannung klein hĂ€lt; Schutz bietet erst ein GebĂ€ude oder ein Auto mit Blechdach.