Big Bang HTL 3, Schulbuch

40 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) Zusammenfassung Spannung ist der „elektrische Höhenunterschied“ und gibt die benötigte Energie an, um eine Ladung in einem elektri- schen Feld zu verschieben. Spannung kann immer nur zwischen zwei Punkten angegeben werden. 4.5 Miniblitz und Spielzeugauto Faraday-Käfig M ICHAEL F ARADAY gilt als einer der besten Experimentalphysi- ker aller Zeiten. Um den nach ihm benannten „Käfig“ geht es in diesem Abschnitt. Zitteraal Die elektrischen Organe von Wassertieren haben sich aus Muskeln entwickelt. Diese können sich heute nicht mehr zusammenziehen, aber die Zellen können 0,15V erzeugen. Das ist etwa 1/10 der Spannung einer herkömmlichen Batte- rie, also nicht viel. Der Trick liegt darin, viele solcher Span- nungsquellen in Serie zu schalten. Wir sehen uns das am Beispiel des Zitteraals an. Zwischen Kopf und Schwanz sind etwa 5000 solcher Minibatterien in Serie geschaltet, was 5000 · 0,15 V = 750 V ergibt (Abb. 4.26). Außerdem liegen 150 solcher Reihen parallel, damit der Stromfluss höher wird. i Abb. 4.26: Wie der Zitteraal die hohen Spannungen erzeugt Z Was versteht man unter elektrischer Influenz? Lies nach in Kap. 16.1.4, NAWI 1. In elektrostatischen Feldern stehen die Feldlinien immer normal auf die Leiteroberfläche, so wie beim Menschen und beim Boden in Abb. 4.22 b (S. 39). Kannst du das begründen? Angeblich ist für einen Menschen im Auto ein Blitzein- schlag ungefährlich. Stimmt das wirklich? Und wie ist das in einem Zug, einem Flugzeug oder einem Cabrio? F15 A1 F16 A2 F17 A2 Im Auto ist man tatsächlich vor Blitzen geschützt ( F17 )! Um das zu verstehen, muss man drei Puzzlesteine zusam- menlegen: Influenz, Äquipotenzialflächen und Energieerhal- tungssatz. Zunächst schauen wir uns an, was mit einem Lei- ter im elektrischen Feld passiert (Abb. 4.27). Erinnere dich: In Leitern sind nur die Elektronen beweglich. Abb. 4.27: Die Elektronen des Leiters verschieben sich, bis die Außenseite eine Äquipotenzialfläche wird (a bis c). b dient zur besseren Verdeutlichung, tritt aber in Wirklichkeit nicht auf, weil sich die Elektronen schon verschieben, während man den Leiter ins Feld bringt. d und e sind vergrößerte Ausschnitte von b bzw. c. Die elektrische Kraft wirkt tangential zu den Feldlinien (d) und verschiebt die Elektronen im Leiter. Dadurch verändert sich aber das elektrische Feld und mit diesem wiederum die Feldlinien. Die Elektronen werden so weit verschoben, bis alle Feldlinien senkrecht zur Leiteroberfläche stehen (d und e). Dann ist Endstation, weil die Elektronen den Leiter ja nicht verlassen können ( F16 ). Diese Ladungsverschiebung nennt man Influenz ( F15 ). Es fließt also für kurze Zeit Strom, bis sich außen eine Äquipotenzialfläche einstellt (e). Diese ist ja dadurch ge- kennzeichnet, dass sie normal auf alle Feldlinien steht. Dass das Innere nun feldfrei ist, kann man mit dem Energie- erhaltungssatz erklären. Wäre das nicht so, könnte man Energie erzeugen, und das geht ja leider nicht. Info: Perpetuum mobile 2 Abb. 4.28: Ein „Miniblitz“ schlägt in ein Spielzeugauto ein. Die elektrische Feldstärke dieser Anordnung beträgt 800.000 V/m. Die Ladungen fließen über die Karosserie ab und überspringen die Gummireifen. Der Innenraum des Käfers bleibt feldfrei und sicher. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv