Physik Sexl 6 RG, Schulbuch

Die Nervenzelle Die Membran der Nervenzelle trennt den Innenraum der Nervenzelle, in dem ein Überschuss von Cl – -Ionen herrscht, vom Außenraum mit einem Überschuss von Na + -Ionen. ( 100.1 ) Sie kann als Plattenkondensator angesehen werden. Zwischen dem Außen- und dem Innenraum besteht eine elektrische Spannung von 0,07V . Bei einer Membrandicke von 10 –8 m ( 10nm ) ergibt sich eine Feldstärke von rund 7 · 10 6 V/m . Zum Vergleich: In trockener Luft setzt bei einer Feldstärke von 3 · 10 6 V/m ein elektrischer Durchschlag , ein Blitz, ein. Die Evolution hat mit der Membran der Nervenzelle einen sehr guten Isolator geschaffen! Das elektrische Feld der Erde Das Schwerefeld der Erde ist uns durch das Gewicht aller Gegenstände stets be- wusst. Das elektrische Feld der Erde nehmen wir nur bei Gewittern wahr, wenn es sich in Blitzen entlädt. Es ist aber stets – auch bei schönem Wetter – vorhanden. ( 100.2 ) Seine Feldstärke beträgt an der Erdoberfläche etwa E ≈ 130 N/C = 130 V/m . Das Feld ist lotrecht nach unten gerichtet. Die Erde ist negativ geladen. Ihre Ladung Q können wir aus E = 1/(4π ε 0 ) · | Q |/ R 2 berechnen ( R = Erdradius). Sie ergibt sich zu | Q | = 4π ε 0 · R 2 E = 4π · 8,85 · 10 –12 C 2 /Nm 2 · 6,4 · 6,4 · 10 12 m 2 · 130 N/C ≈ 600 000C. Die Ladung der Erde beträgt also rund – 6 · 10 5 C . Dieser negativen Ladung der Erd- oberfläche steht eine gleich große, positive Ladung in den höheren Schichten der Atmosphäre, der Ionosphäre, gegenüber. Die kosmische Strahlung ionisiert Luft- moleküle, die positiven Ionen werden im elektrischen Feld der Erde zum Erdboden getrieben. Dadurch fließt dauernd ein Strom von etwa 2 000 A von der Ionosphäre zum Erdboden. Die negative Ladung der Erde wäre in einer Viertelstunde neutral- isiert, würden nicht vor allem die tropischen Gewitter negative Ladung zur Erde und positive in die Atmosphäre transportieren ( 100.3 ). Untersuche, überlege, forsche: Der Mensch im Erdfeld 100.1 W 1 Wenn die Erde ein elektrisches Feld von etwa 130V/m hat, warum werden wir dadurch nicht gefährdet? Zwischen Kopf und Fuß sollte eine Spannung von über 200V herrschen! Warum ist das nicht der Fall? Elektrische Aufladung im Alltag Reibungselektrizität , die Ladungstrennung durch Reiben unterschiedlicher Stoffe, spielt im Alltag eine wichtige Rolle. Bringt man zwei unterschiedliche, elektrisch nichtleitende Materialien durch Reiben in möglichst engen Kontakt, so wandert an der Berührungsfläche ein kleiner Teil der Elektronen von einem Isolator zum anderen. Hat der eine Körper eine faserige Struktur (Tierfell, Wollstoff, Kunst- stoffgewebe), so werden die Berührungsfläche und daher die Anzahl der übertre- tenden Elektronen größer. Nach der mechanischen Trennung besitzt dann ein Kör- per an der Oberfläche überschüssige Elektronen, er ist negativ geladen. Dem anderen Partner fehlt an der Oberfläche die gleiche Anzahl an Elektronen, seine Gesamtladung ist positiv. Die beiden Isolatoren sind also ebenso geladen wie die Platten eines Kondensators. Zwischen ihnen besteht daher ein elektrisches Feld. Wer hat noch nicht das Knistern von Kleidungsstücken bemerkt? Es stammt von kleinen elektrischen Entladungen, was bedeutet, dass an den feinen Spitzen der Fasern Feldstärken wie in Gewittern auftreten. Auch ein elektrisch isolierender, faseriger Bodenbelag aus Kunststoff kann den Träger von Schuhen mit Gummisohle beim Gehen elektrisch aufladen. Bei der An- näherung an eine größere Metallfläche springt dann ein millimeterlanger elektri- scher Funke zur Fingerspitze über, der zwar biologisch unbedenklich, gefühlsmä- ßig aber ziemlich unangenehm ist. (Hingegen werden Mikrochips durch solche Spannungen funktionsunfähig.) Um diesen Effekt zu vermeiden, muss man den Bodenbelag antistatisch ausrüsten, den Kunststoff also durch Zusätze elektrisch leitfähig machen. Erde 300 000 V 100 Millionen Volt 1 Ampere 1 Ampere Ionosphäre Rückstrom in Schön- wetter- gebieten Strom durch Regen Strom durch Blitze 100.3 Erdatmosphäre: Spannungen und Ströme. Im Mittel fließt ein Strom positiver Ionen von 2 000A von der Ionosphäre zur Erd- oberfläche. Bei Windstille hoch in die Luft halten isolierter Draht 2 bis 3 m Klebeband Feuerzeug Glimmlampe blinkt Kondensator etwa 500 pF 100.2 Nachweis des elektrischen Erdfeldes: Die heiße Flamme ionisiert Luft. Die Draht- spitze ist mit der Erde leitend verbunden und daher negativ geladen. Die Feldstärke ist an ihr sehr groß. Positive Ionen bewegen sich daher zu ihr und nehmen Elektronen auf. Von der Erde fließen Elektronen nach. Mit dem Kondensator parallel zur Glimmlampe kann eine blinkende Glimmentladung erreicht werden. + Cl - + Cl - + Cl - + Cl - + Cl - Na Na Na Na Na 100.1 Die Zellmembran begrenzt den Innen- raum der Nervenzelle. Im Zellinneren (im Bild unten) sind mehr negative Ionen (Cl – , ionisierte Proteine) vorhanden als positive (vor allem K + ), im Außenraum (im Bild oben) überwiegen die positiven Na + -Ionen. Das elektrische Feld in- nerhalb der Membran ist überall ungefähr gleich groß und gleich gerichtet. 100 FELDER Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv