Spitzen und Blitzableiter
Unter einer Gewitterwolke stehen zwei gleich hohe Masten — einer endet in einer feinen Spitze, der andere in einer Kugel mit 1 m Radius. Wo überschreitet das Feld zuerst die Durchbruchschwelle der Luft?
Erklärung: Feldlinien stehen senkrecht auf Leiteroberflächen; an starker Krümmung laufen sie dicht an dicht. Hohe Feldliniendichte bedeutet hohe Feldstärke — die Schwelle wird an der Spitze überschritten, während das Feld an der flach gekrümmten Kugel darunter bleibt. Die Höhe allein entscheidet nicht, sie wirkt über die Feldgeometrie.
Wie schützt ein Blitzableiter das Haus?
Erklärung: An der höchsten Spitze der Umgebung ist die lokale Feldstärke am größten — dort zündet der Blitz bevorzugt. Der dicke Kupferleiter bietet dem Strom dann einen widerstandsarmen Weg am Gebäude vorbei in den Boden.
Feldlinien treffen die Oberfläche eines Leiters immer ___.
Erklärung: Hätte das Feld eine Komponente entlang der Oberfläche, würden die freien Elektronen verschoben, bis sie verschwindet. An einer Spitze müssen die Linien deshalb dicht an dicht ankommen.
Ein 100-m-Turm überhöht das Feld an seiner Spitze um γ ≈ 49. Wie groß ist dort das Feld, wenn ohne Turm E₀ = 100 kV/m herrschen würde (in kV/m)?
Erklärung: E_S = γ · E₀ ≈ 49 · 100 kV/m = 4 900 kV/m, deutlich über den 3 000 kV/m der Durchbruchfeldstärke.
Ein 100 m hoher Turm steht unter einer Wolke in 1 000 m Höhe. Um wie viel verkürzt er den Weg zur Wolke, und um wie viel überhöht er das Feld an seiner Spitze?
Erklärung: 900 m statt 1 000 m sind ein Zehntel weniger; γ ≈ 49 macht das Feld fast fünfzigmal so groß. Der Blitz sucht nicht den kürzesten Weg, er zündet, wo das Feld überhöht ist.
Wo beginnt ein Blitz zwischen Wolke und Boden?
Erklärung: Der Leitblitz startet in der Wolke und kommt in Stufen von rund 50 m herab. Erst wenn er nahe ist, startet an der höchsten Spitze eine Fangentladung nach oben; wo beide sich treffen, schließt sich der Kanal.
Die Entladung, die von einer Spitze am Boden dem herabkommenden Leitblitz entgegenwächst, heißt ___.
Erklärung: Die Fangentladung startet, sobald das überhöhte Feld an der Spitze die Durchbruchfeldstärke erreicht. Trifft sie den Leitblitz, fließt der Hauptstrom.
Stelle in der Figur h = 10 m ein, einen Baum, und erhöhe E₀. Ab welchem E₀ startet an der Spitze die Fangentladung (in kV/m)?
Erklärung: Bei h = 10 m ist γ ≈ 9,8. E_S = 9,8 · E₀ erreicht 3 000 kV/m bei E₀ ≈ 306 kV/m; der Regler springt in Zehnerschritten, also ab 310 kV/m. So hoch wird E₀ erst, wenn der Leitblitz nahe ist.
Ein Blitzableiter führt den Blitzstrom über einen dicken Leiter ___ am Haus vorbei in die Erde.
Erklärung: Der Strom soll nicht durch Mauern und Leitungen im Haus fließen, sondern auf einem widerstandsarmen Weg außen herum.
Ein Haus hat einen Blitzableiter. Zwei Kilometer entfernt schlägt ein Blitz in einen Baum ein. Was hätte der Blitzableiter daran geändert?
Erklärung: Die Fangentladung startet erst, wenn der Leitblitz nahe ist. Über zwei Kilometer hat der Ableiter keinen Einfluss; und eine Wolke mit 40 C entlädt er nicht.