Gewitterwolke Spannung Erde?
wenn man eine Gewitterwolke hat die mit der Erde einen plattnkondensator bildet dann herrscht die elektrische feldstärke E und die Spannung U. Jetzt sinkt die Wolke Richtung Boden.
Erläutern Sie wie sich die feldstärke E verändert. Meine lösung(auch die richtige) war das sich E nicht verändert da sowohl U als auch der Abstand sinken. Aber widerspricht das nicht dem Spitzeneffekt? Also wenn eine Wolke bspw einen Abstand von 1km zur Erde hat aber auf dem Boden ein Turm der Höhe 200m steht dann ist ja an der Spitze des Turmes die Distanz zur Wolke auch geringer. Warum ist es die Spannung aber nicht? Also warum ist dort E tatsächlich größer
2 Antworten
Der Unterschied ist: Wenn sich eine Gewitterwolke absenkt, bewegst du Ladungsträger. Damit verringert sich die potentielle (elektrische) Energie der Ladungsträger bzgl. der Erde.
Der Turm ist leitfähig mit der Erde verbunden, er hat somit also auch das gleiche Potential wie die Erde... bildet also eine Äquipotentiallinie mit der Erde. Nur ist er viel näher dran an der Wolke. Die Wolke kann man jetzt vereinfacht gesehen auch als Äquipotentiallinie ansehen, also sie hat das gleiche Potential an allen Stellen...
Somit ist einzig die Distanz anders und somit die elektrische Feldstärke an dieser Stelle größer.
keine Ahnung... Im Prinzip kommt es ja darauf an, welche Vereinfachung man für die Wolke treffen kann. Für eine ideal leitende Platte (z.B. wie nahezu Metall) wäre das ziemlich einfach, weil diese überall das gleiche Potential hat. Außerdem kann man bei der Erdoberfläche auch ganz gut von einem Potential ausgehen, glaube ich (Näherungsweise)
Bei dem Turm ist es auch wieder einfach, weil die Grundfläche relativ klein ist. Also wird sich die Ladungsverteilung in der Wolke wegen der paar Quadratmeter nicht wesentlich ändern.
Aber um das genau zu sagen, bräuchte es dann vllt. eher Geologie + Physik, statt reiner Elektrotechnik. ;)
Hmm... die Frage, was "wirklich" passiert, ist ein wenig kniffelig, weil ich auch nur Annahmen treffen kann, wie sich die Wolke verhält. Wenn ich raten müsste, würde ich sagen:
Grundannahmen: Ich betrachte sowohl den Turm als Plattenkondensator mit kleiner Grundfläche (vllt. 10mx10m), als auch das Umland mit sehr viel größerer Grundfläche. Der Turm ist leitfähig mit der Erde verbunden, liegt also immer auf gleichem Potential wie die Erde.
Ich betrachte keine Bewegung der Wolke, sondern den statischen Fall.
Idee 1:
Die Wolke besteht aus kleinen Ladungsträgern, die sich innerhalb der Wolke relativ frei verschieben können, da wenig Widerstand. Also haben wir eine ähnliche Situation, wie in einem Leiter - wenn ein elektrisches Feld anliegt, verschiebt sich die Ladung. Wir hätten also eine Parallelschaltung von Kondensatoren. Die zeichnet sich dadurch aus, dass die Spannung zwar gleich ist, die Ladungen in diesen Kondensatoren aber unterschiedlich sein können (Q=C*U). Die Kapazität über dem Turm ist größer, wodurch sich dort mehr Ladung sammeln würde. Aus E= U/d wird auch das elektrische Feld größer.
Idee 2:
Die Ladungsträger sind in der Wolke "eingefroren", können sich also nicht bewegen. Somit wäre das elektrische Feld überall gleich (hängt beim Plattenkondensator nur von der Ladung ab). Die Spannung wäre aber Aufgrund der größeren Kapazität über dem Turm größer. Das ist kein Widerspruch an sich, denn es gäbe jetzt innerhalb der Wolke ein Spannungsgefälle und damit eine Kraft, aber unter der Annahme, dass die Ladung unbeweglich ist, würde das gehen. Allerdings denke ich, dass dieser Ansatz nicht richtig ist.
zusätzlicher Effekt: Wenn man die vereinfachende Idee des Plattenkondensators verlässt, so bildet der Turm quasi eine Spitze auf einer flachen Ebene. Die Ladungsträger (Elektronen) verteilen sich ja auf der Oberfläche und drängen sich an der Spitze näher zusammen. Daher ist dort lokal die Feldstärke auf alle Fälle größer. (Das ist der Grund, warum bei Hochspannungsexperimenten alles so "rundgelutschte" Formen hat, keine Kanten)
Ich denke, das liefert eine etwas genauere Erklärung... und eher ein stimmiges Weltbild (z.B. warum die Spannung vermutlich innerhalb der Wolke gleich ist). Ist eine vereinfachte Form von Integrieren über alle Ladungen und Positionen für eine exakte Lösung... Somit ändert sich halt nicht nur der Abstand und E-Feld, sondern auch die Kapazitätsverteilung/Ladung. Wobei letzteres nur geringe Auswirkungen haben wird.
Also die potentielle elektrische Energie ändert sich ja. Aber wo geht die energie hin?
Bei dem statischen Aufbau (Wolke, Turm) kann sich die potentielle elektrische Energie nicht verändern, da ja keine Bewegung von Ladungsträgern stattfindet. Sie kann nur unterschiedlich verteilt sein, z.B. über dem Turm größer sein, als über dem Umland.
Beim Absenken der Wolke wird die potentielle Energie in Bewegungsenergie umgewandelt, ähnlich wie bei einer Elektronenröhre. Dazu spielt aber der Turm wieder nur eine untergeordnete Rolle. Da sich beim Absenken das elektrische Feld nicht ändert, kann man nicht mal sagen, dass es dadurch zum Blitzeinschlag im Turm kommt (wenn nicht die Gewitterwolke den Turm berührt). Zu einem Blitz kommt es, wenn die elektrische Feldstärke in kritisches Maß überschreitet... ca. 1kV/cm, bis 1kV/mm - je nach Luftbeschaffenheit.
Das meinte ich mit Parallelschalten von Kondensatoren... Angenommen der Turm hat eine Grundfläche von 10m*10m und die Wolke 100m*100m.
Dann setzt sich das C zusammen aus: Cges= E0 *A1/d1 + E0*A2/d2
wobei A1 (ohne Turm) = 100m*100m-10m*10m = 9900 m^2 ist, A2 mit Turm: 10m*10m = 100m^2 ist.
d2 = d1 - 200m (also z.B. d1=1000m, d2=800m)
Ja, du kannst auch den Durchschnitt bilden... ist aber nicht einfach (d1+d2)/2 sondern nach Verhältnissen der wirksamen Fläche. Für die Werte wären das durchschnittlich wirkende d=997,5m.
Für Ingenieure sind oft Abweichungen < 10% vernachlässigbar.
Nein, ich verstehe nicht so ganz, was du meinst... Es läuft doch oft darauf hinaus, dass man keine "wirkliche" Ahnung hat, sondern eine "begründete Vermutung" anstellt. Am Besten logisch nachvollziehbar und schlüssig mit den bekannten physikalischen Gesetzen.
Natürlich weiß man nicht genau, wie viel Ladung die Wolke hat, aber das ist hier ja auch nicht gefragt - es geht um eine qualitative Betrachtung, nicht um eine quantitative. Die Zahlen dienen nur zur Veranschaulichung. Trotzdem: Wenn ich C ausrechnen kann, stehen U und Q in einem festen Verhältnis, das ist doch eine Aussage. Ich habe gemeint, dass die Spannung innerhalb der Wolke überall gleich ist (völlig egal, wie hoch). Zwischen Turm und Wolke ist daher die Feldstärke größer und als Konsequenz tummeln sich über dem Turm in der Wolke mehr Ladungsträger pro Fläche, als über dem Umland.
Im Übrigen ist das hier eine recht grobe Abschätzung. In Wirklichkeit wird das Feld in Nähe des Kirchturms eher wie das Feld einer Spitze gegen Platte ( erstes Bild: https://www.lernhelfer.de/schuelerlexikon/physik/artikel/elektrisches-feld) aussehen.
Wie dem auch sei, das Modell hat doch eine Erklärung geliefert, warum die Feldstärke an der Turmspitze größer sein kann, "obwohl" (oder gerade weil) die Spannung gleich ist - viel mehr sollte es nicht tun.
Ok ja würde bedeuten:
Spannung ist überall gleich aber die Kapazitäten von Turm und Erde sind unterschiedlich
hast du ja auch gesagt: man betrachtet es als Parallelschaltung zweier kondensatoren. Daher ist W unterschiedlich aber U gleich.
daraus folgt dann die unterschiedliche feldstärke aufgrund der unterschiedlichen distanzen.
ich hatte mich halt gefragt was passiert wenn ich den Erdboden habe und die Wolke einmal mit und einmal ohne Turm. Sagen wir wir haben Boden und Wolke 1km^2 Fläche und Abstand 1km. Dann hat man ja eine bestimmte Kapazität und sagen wir in der Wolke ist 1C Darias folgt ja dann die Spannung. Jetzt zieht die Wolke über ein gleiches Gebiet, nur das da der Turm halt noch ist. Durch den Turm ändert sich ja C. Und wenn sich C ändert und Q konstant bleibt dann muss doch U kleiner werden. Zwar liegt sowohl an der Erde als auch am Turm das gleiche U an aber es ist kleiner als vorher wo der Turm nicht da war
ist das soweit richtig?
Generell gilt für einen Plattenkondensator
E=U/d
Wird die Distanz also kleiner, wird E größer.
Die Spannung bleibt bei einer Gewitterwolke konstant, egal auf welcher Höhe sie sich befindet. Die Spannung hängt ja sozusagen nur von der Ladungsdifferenz zwischen Erde und Wolke ab und da ist die Höhe ja egal.
Der zweite Teil stimmt nicht... Schon der Fragesteller verweist darauf, dass sich die Spannung mit der Höhe der Gewitterwolke ändert, während die Feldstärke gleich bleibt. Der Punkt ist, dass die Spannung nicht nur abhängig von der Ladung ist, sondern auch von der Kapazität (Q=C*U) und die ist beim Plattenkondensator: C ~ 1/d
Tatsächlich hängt beim Plattenkondensator die Feldstärke nur von der Ladung ab: http://people.physik.hu-berlin.de/~mitdank/dist/scripten/plattenkondensator.htm
(Herleiten kann ich es leider gerade nicht)
Ah okay danke. Dann lag ich da falsch, aber aus Fehlern lernt man ja bekanntlich
Aber wo setzt man dann den Bezugspunkt? Man stelle sich eine Wolke vor die 1km lang ist.
jetzt hat man den Boden der ist bis zur Hälfte der Strecke auf Meeresspiegelhöhe und die andere Hälfte ist 500m höher. Wie ist es jetzt mit der feldatärke und der Spannung?