Sexl Physik 7, Schulbuch

59 | 0 30 m 50 m 5,5 kV/m Spannfeldmitte 59.1 Die Feldstärke am Erdboden unter einer 380-kV-Leitung ist in der Mitte zwischen den Masten wegen der durchhängenden Seile am größten. Quer zur Leitung nimmt die Feldstär- ke wegen der gegenseitigen Kompensation der drei Leiter schnell ab. Gerät bis zu 380-kV-Freileitung 6 000 V/m 110-kV-Freileitung 2 000 V/m 10-kV-Freileitung 500 V/m Elektrische Heizdecke 500 V/m Haarfön 50 V/m 230-V-Hausinstallation 5 V/m 59.2 Elektrische Feldstärken in der Nähe von elektrischen Anlagen mind. 3 m 59.3 Vorsichtsmaßnahme bei Gewitter in offener Landschaft: Sich möglichst klein machen, die Füße eng neben einander stellen und Abstand zu exponierten, bzw. spitzen Objekten halten. 59.4 Zu Experiment 59.1 Die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten auf verschiedenen Äquipotenzialflächen wird als elektrische Spannung U bezeichnet. U = W / q (Einheit: Joule/Coulomb, Volt. 1 V = 1 J/C) Für die Wirkung auf bewegliche Ladungen wie z. B. Ionen oder Elektronen in der Luft ist die Feldstärke entscheidend. Insbesondere bei Hochspannungsanlagen besteht die Gefahr eines elektrischen Überschlags oder Spannungsdurchschlags: Wenn die Feldstärke einen materialabhängigen Wert übersteigt, setzt auch in Iso­ latoren (Luft, Keramik, …) unter Hitzeentwicklung Stromfluss ein. Für trockene Luft tritt dies bei etwa 3 kV/mm ein. Hohe Feldstärken treten an Spitzen von gela­ denen Leitern auf. Die Beziehung zwischen Feldstärke und Spannung lässt sich leicht herstellen. Wir können Feldstärke entweder als Kraft pro Ladung oder über die Beziehung U = E · d als Spannung dividiert durch den Abstand, E = U / d , auffassen. Die elektrische Feldstärke E ist definiert als E = F / q (Einheit: Newton/Coulomb, N/C) und E = U / d (Einheit: Volt/Meter, V/m). Sicherheitshinweis Auf die Gefahren des elektrischen Stroms im Niederspannungsbereich (Haushalt) wurde in Physik 5 (S. 114) hingewiesen. Gefährlich sind auch nichtisolierte Frei­ leitungen und die Leitungen von Eisenbahn, UBahn und Straßenbahn. Beispiels­ weise darf ein Sicherheitsabstand von 1,5 m zur Oberleitung der Eisenbahn ( 15 kV ) nicht unterschritten werden. Besonders gefährlich sind beschädigte Leitungen, die Bäume oder den Erdboden berühren und nicht abgeschaltet wurden. Zwischen dem Berührungspunkt am Boden und beliebigen Punkten in der Nähe besteht eine elektrische Spannung, so dass im Boden Strom fließt. Da Strom den Weg des geringsten Widerstands nimmt, besteht für Menschen oder Tiere in der Nähe Gefahr, wenn die elektrische Span­ nung zwischen den Füßen am Boden (Schrittspannung) 50 V übersteigt – biologi­ sches Gewebe leitet besser als Erde. Daher sollte man keinesfalls bei Gewittern Schutz unter einzeln stehenden Bäumen suchen. Bei einem Blitzeinschlag fließt durch den Boden ein Strom von vielen tausend Ampere, auch hier können gefährli­ che Schrittspannungen auftreten. ( 59.3 ) 1.6 Elektrostatische Felder in Technik und Natur Der Plattenkondensator Demo-Experiment: Spannung am Plattenkondensator 59.1 Die Kondensatorplatten werden zunächst mittels Netzgerät aufgeladen und an- schließend über die Glimmlampe entladen: Die Glimmlampe leuchtet schwach. Das Experiment wird wiederholt, wobei nach dem Aufladen der Plattenabstand vergrö- ßert wird. Nun leuchtet die Glimmlampe bei der Entladung deutlich heller. Der Plattenkondensator ist eine einfache Vorrichtung, um elektrische Ladung und elektrische Energie zu speichern und bei Bedarf in einem kurzen elektrischen Im­ puls zu entnehmen. Er besteht aus zwei parallelen Metallplatten, deren Abstand wesentlich kleiner als ihre Ausdehnung ist (siehe Physik 5, S. 100). Wenn man die Platten des Kondensators an eine Spannungsquelle (Batterie, etc.) anschließt, wer­ den sie entgegen gesetzt geladen. Die Gesamtladung des Kondensators ist dabei null, er ist insgesamt elektrisch neutral. Als wir im Experiment 55.1 an die parallelen Elektroden Hochspannung anlegten und das elektrische Feld mit Grießkörnern darstellten, konnten wir beobachten: Im Raum zwischen den Platten sind die Feldlinien gerade und parallel, ihre Dichte ist konstant. Daher ist auch die elektrische Kraft zwischen den Platten konstant. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv