Die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten auf verschiedenen Äquipotenzialflächen wird als elektrische Spannung U bezeichnet. U = W _ q (Einheit: Volt, Joule/Coulomb. 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 Isolatoren (Luft, Keramik, etc.) unter Hitzeentwicklung Stromfluss ein. Für trockene Luft tritt dies bei etwa 3 kV/mm ein. Hohe Feldstärken treten an Spitzen von geladenen 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 Kapitel 3.4 hingewiesen. Gefährlich sind auch nichtisolierte Freileitungen und die Leitungen von Eisenbahn, U-Bahn und Straßenbahn. Beispielsweise 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. Strom nimmt den Weg des geringsten Widerstands. Menschen und Tiere sind in Lebensgefahr, wenn die elektrische Spannung zwischen den Füßen am Boden (Schrittspannung) 50 V übersteigt – biologisches 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 gefährliche Schrittspannungen auftreten (107.3). 4.6 Elektrostatische Felder in Technik + Natur Der Plattenkondensator Der Plattenkondensator speichert elektrische Ladung und Energie und gibt sie bei Bedarf wieder ab. Er besteht aus zwei parallelen Metallplatten, deren Abstand wesentlich kleiner als ihre Ausdehnung ist. Wenn man die Platten an eine Spannungsquelle (Batterie, etc.) anschließt, werden sie entgegengesetzt geladen. Demoexperiment: Spannung am Plattenkondensator 107.1 E1 Die Kondensatorplatten werden mittels Netzgerät aufgeladen, anschließend sollen sie über eine Glimmlampe entladen werden (107.4). Wird die Glimmlampe schwach oder hell leuchten? In der Wiederholung wird der Plattenabstand nach dem Aufladen vergrößert. Wie wird vermutlich nun die Glimmlampe bei der Entladung leuchten – heller oder schwächer? Überlege, wovon die Helligkeit der Lampe abhängen könnte. Als wir im Experiment 103.1 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. 107.1 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 Feldstärke wegen der gegenseitigen Kompensation der drei Leiter schnell ab. 0 30 m 50 m 5,5 kV/m Spannfeldmitte 107.2 Elektrische Feldstärken in der Nähe von elektrischen Anlagen 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 107.3 Vorsichtsmaßnahme bei Gewitter in offener Landschaft: Sich möglichst klein machen, die Füße eng neben einander stellen und Abstand zu exponierten bzw. spitzen Objekten halten. mind. 3 m 107.4 Zu Experiment 107.1 107 Felder 4 Elektrisches Feld Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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