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Physik – Elektrische Felder
Natürliche elektrische Felder
Statische elektrische Felder und Kräfte entstehen, wenn elektrische Ladungen räumlich getrennt werden. Das kann durch Reibung zwischen zwei isolierenden Materialien (sog. Reibungselektrizität) geschehen. Gute Beispiele für die Bildung elektrostatischer Felder sind das Ausziehen von Kunststoffpullovern oder die Reibung zwischen Hose und Kunststoffbezug eines Autositzes. Der Körper lädt sich dabei elektrostatisch auf. Sobald man beim Aussteigen das Metall der Autotür berührt, entlädt sich der Körper. Die Entladung ist als elektrischer Mikroschock spürbar. Statische Spannungen gibt es auch zwischen unterschiedlichen Metallen. Deren natürliche Spannungsgefälle werden in Batterien genutzt um Gleichstrom zu generieren.
An der Erdoberfläche misst man ein permanentes elektrisches Feld ("Schönwetterfeld"), dessen Feldstärke je nach Tages- und Jahreszeit zwischen 100 und 300 V/m schwankt. Auch die lokale Umgebung, etwa die Materialeigenschaften und die Geometrie von Objekten hat einen Einfluss auf die Feldstärke (Figur links). Die gebräuchliche Erklärung für dieses Feld: es wird aufgebaut im Rahmen des natürlichen globalen Stromkreises. Dieser "zirkuliert" zwischen der untersten Schicht der Ionosphäre (in 70-80 km Höhe) und der Erde (Figur rechts).
Erzeugt wird das Feld bzw. die Potenzialdifferenz gemäss üblicher Meinung durch Gewitter. Gewitterwolken sind so etwas wie die Batterien des atmosphärischen Stromkreises. Sie trennen Ladungen und produzieren so elektrische Spannung. Die Ladungsverteilung in Wolken ist komplex und nicht endgültig verstanden. Nach dem einfachsten Modell ist der obere Teil einer Gewitterwolke positiv geladen, der untere negativ. Wie genau die Ladungstrennung zustande kommt, ist noch immer umstritten. Es gibt dafür mehrere mögliche Erklärungen. Eine sagt, dass schwere Tropfen oder Graupelkörner beim herunterfallen leichten Tropfen bzw. Eiskristallen Elektronen entreissen. Eine andere, dass die positiven (Ammonium-) Ionen der Graupelkörner an die aufsteigenden kleinen Eiskristalle "abgegeben" werden. Steigwinde bzw. Thermik entsteht hauptsächlich aus Kondensationsenergie: wenn Wasserdampf zu Wasser kondensiert, wird Energie frei, welche die Luft erwärmt und diese aufsteigen lässt.
Die Spannung zwischen Gewitterwolke und Erdboden kann so gross werden, dass elektrostatische Entladungen in Form von Blitzen oder anderen Entladungsvorgängen stattfinden. Beim "üblichen" Blitz wird dabei überschüssige negative Ladung der Erde zugeführt (aus Zonen mit überschüssiger positiver Ladung können auch "positive" Blitze zur Erde geschickt werden). Ähnliches passiert zwischen Wolke und Ausgleichsschicht: Das Ladungsgefälle zwischen dem oberen, stark positiv geladenen Teil von Gewitterwolken und der darüberliegenden Ausgleichsschicht wird ebenfalls durch Blitze (negative und positive) reguliert. Sog. sprites und jets verfrachten negative oder positive Ladungen (je nach Blitztyp) zwischen Gewitterwolke und Ausgleichsschicht. Weil die Schicht gut leitfähig ist werden temporäre Ladungsungleichgewichte schnell grossräumig verteilt, so dass eine insgesamt „gleichmässig“ positiv geladene Schicht entsteht. Zuletzt: Auch innerhalb von Gewitterwolken führen grosse lokale Ladungsdifferenzen zu Blitzen. Diese sind bis 10 mal häufiger als die Blitze zum Erdboden.
Gewitter- und Blitzzonen finden sich v.a. in den Tropen. Ausserhalb dieser Gebiete werden die Ladungen über einen "gleichmässigen" elektrischen Fluss (Ionen, freie Elektronen; globaler Schönwetterstrom, siehe Figur) durch die Atmosphäre ausgetauscht (Ionen bewegen sich dabei mit einer vertikalen Geschwindigkeit von ca. 1 cm pro Sekunde).
Ob dieses Modell des globalen Stromkreislaufes tatsächlich zutrifft, ist nicht eindeutig klar. Möglicherweise ist der "Antrieb" des Stromflusses durch Gewitterwolken nur ein Faktor und diffuse Ladungsströme durch fallende Aerosole sind ebenfalls an der Aufrechterhaltung der Spannung des Schönwetterfeldes beteiligt.
Die Schichten der Ionosphäre kommen zu Stande weil die solare Einstrahlung (insbesondere: UV-Strahlung und Röntgenstrahlung) die Gasmoleküle in der Erdatmosphäre ionisiert. Es entstehen positiv geladene Ionen und freie Elektronen. Der Ionisierungsgrad hängt von der Rekombinationsrate (der Wiedervereinigungsrate) der geladenen Teilchen ab. Die grösste Konzentration von Ionen und freien Elektronen misst man in 300-400 km Höhe (Figur). Die Rekombinationsrate ist dort so „bescheiden“, dass sich die Ladungen selbst während der Nacht (wenn keine Sonneneinstrahlung vorhanden ist, die neue Ladungen bilden kann) nicht abbauen. Das nutzt der Funk aus: Die Schicht reflektiert während 24 Stunden und rund um den Globus v.a. die Kurzwellenstrahlung, so dass diese Frequenz für die globale Kommunikation geeignet ist.