Big Bang Physik 6, Schulbuch

80  GG 6.2/G 6.2 Elektrizitätslehre/Elektrische Energie man Elektronenflussrichtung oder auch physikalische Stromrichtung (Abb. 23.4). Als man im 19. Jahrhundert die Richtung des Stromes definierte, wusste man das noch nicht und legte diese willkürlich von Plus nach Minus fest. Ob- wohl man es dann später besser wusste, änderte man die Definition nicht mehr. Die Richtung von Plus nach Minus nennt man heute technische Stromrichtung , und wenn im Folgenden kurz von Stromrichtung die Rede ist, dann ist immer die technische gemeint.  Info: Blitz Bummeltempo Die Elektronen in einem Metall sind wie Gasmoleküle in ständiger, ungeordneter Bewegung. Ihre Geschwindigkeit liegt in der Größe von unglaublichen 10 5  m/s, oder etwa 2800 km/h (Abb. 23.2a)! Liegt eine Spannung an, beginnen sich alle Elektronen zusätzlich in Richtung Plus-Pol zu bewe- gen (b). Man spricht von der Driftgeschwindigkeit . In Tab. 23.1 rechts ist nur diese eingezeichnet. Wie groß ist sie etwa? Nimm an, 1 A fließt durch ein Kupferkabel mit 0,5mm Radius. Pro Sekunden müssen also 1 C oder rund 10 19  Elektronen an der Messstelle vorbei. Diese Elektronen befinden sich im farbig markierten Zylinder (Abb. 23.3a). Dieser muss sich pro Sekunde um seine eigene Höhe ver- schieben, damit alle Elektronen am Beobachter vorbei- kommen. Wir müssen uns also die Höhe dieses Zylinders ausrechnen. In Kupfer befinden sich etwa 10 29 freie Elektronen pro m 3 . Der Zylinder muss also ein Volumen von 10 19 /10 29 m 3 = 10 –10  m 3 besitzen. Das Kabel hat einen Querschnitt von A = r 2  π ≈ 10 –6  m 2 . Das Volumen des Zylinders ist V = A · h und seine Höhe daher h = V / A = 10 –4  m. Weil sich der Zylinder in einer Sekunde um seine eigene Höhe verschiebt, ergibt sich für die Driftgeschwindigkeit der Elektronen 10 –4  m/s oder 0,1mm/s. Erstaunlich, aber die Elektronen bewegen sich im extremen Bummeltempo in Richtung Plus-Pol ( F3 )! i Abb. 23.2:  a) Ungeordnete Bewegung eines Elektrons in einem Leiter, wenn kein Strom fließt. b) Wenn eine Spannung anliegt, dann driften zusätzlich alle Elektronen langsam in Richtung Pluspol. Abb. 23.3:  a) Zu Beginn der Messung; b) Nach einer Sekunde: Im Zylin- der befindet sich 1 C an Ladung. Die Höhe des Zylinders ist stark übertrieben dargestellt. Zusammenfassung Allgemein bedeutet Stromfluss Bewegung von Ladungen . In Leitern bewegen sich Elektronen. Strom bedeutet dann, dass zur enorm hohen, aber ungeordneten Geschwindigkeit der Elektronen eine zusätzliche Driftgeschwindigkeit dazu- kommt. Abb. 23.4:  Elektronen bewegen sich gegen die „technische Stromrichtung“. Schaltzeichen siehe Tab. 23.2, S. 83. Z Blitz Die genauen Mechanismen bei der Blitzentstehung sind noch immer nicht völlig klar. Grundsätzlich haben Blitze ihren Ursprung in den elektrisch geladenen Gewitterwol- ken . Durch die starken Aufwinde im Inneren kommt es zu einer Ladungstrennung. Die Wolke lädt sich oben positiv und unten negativ auf (Abb. 23.5a). Und dann geht’s los. Zuerst bewegt sich ein negativ geladener Leitblitz in Ver- ästelungen von der Wolke zur Erde (a). Wenn er sich ihr auf einige 10 m genähert hat, dann „wachsen“ ihm positive Fangladungen von hohen Objekten entgegen (b). Eine gewinnt das Rennen, und wenn sie mit dem Leitblitz zusammentrifft, dann kommt es zur Hauptentladung (c). Das ist das, was wir dann den Blitz nennen. Bei der Haupt­ entladung fließen im Wesentlichen die negativen Ladungen aus dem Leitblitz zur Erde ab, und diese erzeugen das Licht, das wir dann sehen. Wie hoch ist dabei die Stromstärke? Nehmen wir einen wirklich fetten Blitz! Bei diesem fließt eine Ladung von etwa 10C. Das ist überraschend wenig, hat doch eine kleine Batterie einige tausend Coulomb. Aller- dings fließt die Ladung auch blitzschnell ab, nämlich inner- halb von rund 10 –4  s. Und das ergibt für die Stromstärke I  = Q / t beachtliche 100.000 A ( F5 ). i Abb. 23.5:  Negativer Wolke-Erde-Blitz. Mehr als 90% aller Blitze laufen so ab. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv