Big Bang Physik 6, Schulbuch

Felder  101 Das elektrische Feld  25  25.5 Miniblitz und Spielzeugauto Faraday-Käfig Michael Faraday (Abb. 26.24, S. 109) gilt als einer der bes- ten Experimentalphysiker aller Zeiten. Um den nach ihm benannten „Käfig“ geht es in diesem Abschnitt. Im Auto ist man tatsächlich vor Blitzen geschützt ( F18 )! Um das zu verstehen, muss man drei Puzzlesteine zusam- menlegen: Influenz , Äquipotenzialflächen und Energieer- haltungssatz . Zunächst schauen wir uns an, was mit einem Leiter im elektrischen Feld passiert (Abb. 25.25). Erinnere dich: In Leitern sind nur die Elektronen beweglich. 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 ( F17 ). Diese Ladungsverschiebung nennt man übrigens Influenz ( F16 ). Was versteht man unter elektrischer Influenz? Lies nach in Kap. 22.1.4, S. 74. In elektrostatischen Feldern stehen die Feldlinien immer normal auf die Leiteroberfläche, so wie beim Menschen und beim Boden in Abb. 25.23b, S. 100. 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 und einem Cabrio? F16 W1  F17 S2  F18 E2  Abb. 25.25:  Die Elektronen des Leiters verschieben sich so lange, bis die Außenseite eine Äquipotenzialfläche wird (a bis c). Situation 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. Es fließt also für kurze Zeit Strom, bis sich außen eine Äquipotenzialfläche einstellt (c und e). Diese ist ja dadurch gekennzeichnet, dass sie normal auf alle Feldlinien steht (siehe auch Abb. 25.20, S. 99). Dass das Innere nun feldfrei ist, kann man mit dem Energieerhaltungssatz erklären. Wäre das nicht so, könnte man aus dem Nichts Energie er- zeugen, und das geht ja leider nicht.  Info: Perpetuum mobile 2 Weil die Außenseite eine Äquipotenzialfläche ist, könnte man in Abb. 25.25 e den Innenraum des Leiters weglassen, ohne dass sich das Feld verändert. Der Leiter könnte sogar aus einer Art Gitter bestehen und wäre innen immer noch feldfrei. So ein geschlossenes Gitter nennt man einen Faraday-Käfig. Jedes Auto und jeder Zug schützen daher vor einem Blitzeinschlag (Abb. 25.26). Abb. 25.26:  Ein „Miniblitz“ schlägt in ein Spielzeugauto ein. Die elek­ trische Feldstärke dieser Anordnung beträgt 800.000V/m. Die Ladungen fließen über die Karosserie ab und überspringen die Gummireifen. Der Innenraum des Käfers bleibt feldfrei und sicher. Perpetuum mobile 2 Nimm an, durch das Innere eines Leiters führt doch eine Feldlinie (Abb. 25.27). Ein Elektron würde durch die elektri- sche Kraft von 1 nach 2 beschleunigt und Energie gewinnen (a und b). Weil außen eine Äquipotenzialfläche ist, könnte man die Ladung ohne Energieaufwand wieder zurückschie- ben (c) und so weiter. Man könnte somit aus dem Nichts beliebig viel Energie gewinnen, und das verbietet (leider) wieder einmal der Energieerhaltungssatz (siehe auch Info- box Perpetuum mobile 1, S. 96). i Abb. 25.27:  Wäre das Innere nicht feldfrei, könnte man beliebig viel Energie gewinnen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv