Der Faradaysche Käfig

Bevor wir das Auto erklären, räumen wir die übliche Erklärung ab. „Die Gummireifen isolieren" — das klingt vernünftig und ist trotzdem falsch. Lege dich fest, und rechne dann: Gummi hält rund siebenmal so viel aus wie Luft, etwa 20 kV pro Millimeter. Zwei Zentimeter Gummi halten damit 400 kV. Der Blitz kommt mit 100 000 kV und hat gerade rund einen Kilometer Luft durchschlagen. Wäre Isolation der Schutz, dürfte man auch auf keiner Wiese stehen: Schuhe isolieren schließlich ebenfalls. Der wirkliche Schutz steckt im Blech, nicht im Gummi.

Erinnere dich an das Argument aus dem Radialfeld-Abschnitt, mit dem wir begründet haben, warum das Innere einer leitenden Hohlkugel feldfrei ist: Angenommen, im Inneren eines Leiters gäbe es ein Feld. Dann würde es auf die frei beweglichen Elektronen Kräfte ausüben und sie verschieben — so lange, bis die verschobenen Ladungen das Feld im Inneren exakt aufheben. Das elektrostatische Gleichgewicht lässt gar nichts anderes zu: Ein Restfeld hieße weiter wandernde Ladungen, also noch kein Gleichgewicht. Genau dieses Argument trug schon den Cavendish-Versuch mit seiner Hohlkugel.

Die Karosserie eines Autos ist so eine Hohlkugel — nur autoförmig. Im Feld des Gewitters verschieben sich ihre Elektronen: Die Influenzladungen sammeln sich auf Dach und Unterseite, und ihr Gegenfeld kompensiert das äußere Feld im Innenraum vollständig. Draußen mag das Feld wachsen, wie es will — innen bleibt E = 0.

In der Figur bleibt mit Blech (σ = 1) Eᵢ = 0, ob E₀ nun 100 oder 200 kV/m beträgt: Die Influenzladungen, + auf dem Dach und − an der Unterseite, wachsen mit dem Feld mit. Ohne leitende Hülle (σ = 0) kann sich keine Ladung verschieben, zwei Feldlinien laufen mitten durch den Innenraum, und Eᵢ = E₀. Deshalb schützen ein Cabrio mit Stoffdach und ein Auto mit Kunststoffkarosserie nicht.

Schlägt der Blitz tatsächlich ein, fließt sein Strom über die Außenhaut aus Blech um den Innenraum herum und über die Reifen hinweg, oft mit einem Funken, in den Boden. Die Insassen sitzen im feldfreien Hohlraum, im Faradayschen Käfig; Fenster zu, Hände weg von Metallteilen der Karosserie. Dasselbe Prinzip schützt Flugzeuge: Ein Verkehrsflugzeug wird im Schnitt etwa einmal im Jahr vom Blitz getroffen, landet normal und wird danach auf Schmelzspuren untersucht.

Und der Baum? Er ist das genaue Gegenteil des Autos: eine hohe Spitze, also ein bevorzugter Einschlagsort, aber ein schlechter Leiter und erst recht kein Hohlraum. Der Blitzstrom quält sich durch das feuchte Holz, verdampft das Wasser darin schlagartig und sprengt nicht selten den Stamm auf. Wer darunter steht, dem bietet der Baum keinerlei Käfig; der Strom springt oft auf ihn über.

Gefährlich ist es selbst neben dem Baum. Der Einschlagstrom breitet sich vom Stamm aus im Boden aus, und das Potential fällt dort steil ab. Bei einem typischen Blitzstrom von 30 000 A liegen in feuchtem Boden 10 m vom Einschlag zwischen zwei Füßen, 80 cm auseinander, rund 3 500 V: eine Schrittspannung, die einen Strom durch die Beine treibt.

Bei r = 10 m und einem Schritt von s = 0,8 m zeigt die Anzeige U_S = 3,54 kV, bei 5 m schon 13 kV. Mit geschlossenen Füßen (s = 0,1 m) sind es bei 10 m noch 0,47 kV: kleiner, aber nicht null. Wer im Freien überrascht wird, bleibt deshalb weg von Bäumen, stellt die Füße zusammen und geht in die Hocke. Das ist eine Notlösung, kein Schutz. Geschützt ist man im Gebäude oder im Auto mit Blechdach. Nicht wegen der Reifen, sondern wegen des Käfigs. Bleibt die Frage vom Anfang: Wann muss man hinein?