Wie fließt elektrischer Strom eines Blitzes durch eine Autokarosserie, wenn Elektronen so extrem langsam sind?
Die Driftgeschwindigkeit von Elektronen beträgt oft nur etwa 1 mm pro Stunde. Wenn ein Blitz in eine Autokarosserie einschlägt, setzt sich die überflüssige elektrische Ladung auf der Oberfläche des Daches ab? Weil die Elektronen von positiver Ladung angezogen werden, fließen sie zum Boden? Aber wenn sie so langsam sind, warum ist das Dach dann nach einer Stunde oder so nicht immer noch elektrisch geladen?
5 Antworten
In der alltäglichen Technik wie z.B. bei der Wohnungsinstallation, liegt die Triftgeschwindigkeit, d.h. die Verschiebung der Ladungsträger (Elektronen) gegenüber ihrem Leiter nicht bei 1 mm pro Stunde, sondern eher bei etwa 1 mm pro Sekunde. Die Triftgeschwindigkeit mag beim Gewitterblitz erheblich größer sein, spielt aber hier für den Ablauf keine wesentliche Rolle.
Bedeutsamer ist beim Aufbau des Vorblitzes dagegen schon die Ausbreitungs-Geschwindigkeit der elektrischen Spannung. Die liegt knapp bei der Lichtgeschwindigkeit mit 300 000 km pro Sekunde.
Die Autokarosserie stellt zwischen den beiden elektrischen Potentialen, dem Gewitterblitz oben und dem Boden unten den elektrischen Leiter dar. Warum und in welcher Weise sollte sich die Karosserie aufladen? Die ist als Leiter jederzeit neutral.
Strom hat ca Lichtgeschwindigkeit. Elektronen sind die Transporteure für Ladungen. Du kannst dir die Elektronen wie eine Fahrradkette vorstellen, jedes Kettenglied ein Elektron. Diese bewegen sich vom großen Zahnrad zum keinen. Sobald sich ein Glied auf dem großen Zahrad in Bewegung setzt kommt ein Glied auf dem kleinen Zahnrad an, quasi zum gleichen Zeitpunkt.
wenn man den Wasserhahn aufdreht, kommt sofort Wasser, trotz des langen Weges vom Wasserwerk. Wie ist das möglich? Genauso ist das auch mit den Elektronen.
Also du hast da ein bisschen was durcheinander geworfen.
Grundlagen:
Ort des Elektronenüberschusses = negative Ladung (Minuspol)
Ort des Elektronenmangels = positive Ladung (Pluspol)
Die physikalische Stromrichtung der Elektronen ist also vom Minuspol zum Pluspol.
(Btw.: Die technische Stromrichtung geht von Plus zu Minus aus.)
Ein Blitz entsteht aus einer Potentialdifferenz zwischen Wolken/Himmel und Boden/Erde. Dabei ist der Himmel der Pluspol und der Boden der Minuspol. Durch die extreme Spannung im MegaVolt-Bereich werden die Moleküle der Luft ionisiert (zu positiven und negativen Ladungsträgern) sodass die Luft selbst freie Elektronen und Ionen enthält und dadurch leitfähig wird.
Das Auto ist theoretisch durch die Gummireifen elektrisch vom Boden getrennt, da Gummi ein Isolator ist und nicht leitet. Diese Gummischicht ist wie ein Kondensator und würde nur bei niederfrequenten Strömen (Gleichstrom) isolieren, für hochfrequente Ströme (Wechselstrom) ist diese Schicht kein Hindernis und bei einem Blitzeinschlag hat man eine schlagartige Änderung des Stromes. Die Karosserie des Autos ist üblicherweise aus Metall und somit ein Leiter. Im Metall sind die Elektronen um die Atomrümpfe herum quasi frei beweglich, was an der besonderen Art der Bindung (metallische Bindung) liegt. Abhängig von der Frequenz eines Stromes durchfliessen die Elektronen den Leiter in der Fläche (niederfrequent) oder nur auf der Oberfläche (hochfrequent, Skin-Effekt).
(Btw.: Die metallische Karosserie wirkt für die Insassen wie ein Faradayscher Käfig.)
Die Geschwindigkeit mit der sich die Elektronen bewegen ist abhängig vom Material/Medium und der elektrischen Feldstärke und kein fester Wert. Die elektrische Feldstärke hängt von der Spannung, also der Potentialdifferenz zwischen Himmel und Erde ab. Da bei einem Blitzeinschlag eben diese Spannung extrem hoch ist, erhöht sich die Driftgeschwindigkeit der Elektronen. Durch die negative Ladung des Elektrons wird es durch das Feld beschleunigt, gebremst werden sie durch Zusammenstösse mit Atomrümpfen.
Nur bei Gleichstrom bewegt sich das Elektron weite Strecken, weil dieser nur in eine Richtung fliesst. Bei Wechselstrom hingegen bewegt sich das Elektron ganz schnell hin und her und bleibt nahezu ortsfest.
Genau so viele Elektronen wie oben Reinfliegen, fliegen unten raus. Sie stoßen sich gegenseitig an Stelle dir das als ein Rohr voll mit Kugeln. An der einen Seite eine rein, und sofort fliegt ein andere raus. Das geht mit annähernd Lichtgeschwindigkeit.