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Das elektrostatische Feld der Erde (auch als elektrostatisches Erdfeld, elektrisches Feld der Erde oder elektrisches Erdfeld bezeichnet) resultiert daraus, dass die Erdoberfläche eine elektrische Überschussladung von -6·105 C aufweist. Diese Überschussladung entsteht durch ionisierende Strahlung aus dem Weltraum (d. h. kosmische Strahlung und Sonnenwind). Dabei werden positiv ionisierte Teilchen in Richtung der Erde beschleunigt. Die negativ geladenen Teilchen werden von der Erde weg beschleunigt.
Verteilung der elektrischen Ladung
In der Nähe der Erdoberfläche kann man etwa 1000 Ionen je Kubikzentimeter feststellen, wobei ein Kubikzentimeter bei Normaldruck 3·1019 Moleküle enthält. Die Atmosphäre ist dort also nur schwach ionisiert, sie enthält sowohl positive als auch negative Ionen. Es überwiegt jedoch die Anzahl positiver Ionen. Die Ionendichte nimmt mit der Höhe zu und hat ihr Maximum in der Ionosphäre. Dort ist ein erheblicher Teil der Gasmoleküle durch die UV-Strahlung der Sonne ionisiert.
Diese positive Raumladung der Atmosphäre bewirkt durch Influenz eine Konzentration negativer Ladung an der Erdoberfläche. Zwischen dieser und der positiven Raumladung entsteht das elektrische Feld.
Durch den Überschuss an positiven Ladungen in den unteren Schichten der Atmosphäre wird das elektrische Feld der Erde teilweise abgeschirmt, so dass die Feldstärke schnell mit der Höhe über den Erdboden abnimmt, deutlich schneller als bei einem $ {\frac {1}{r^{2}}} $-Zusammenhang.[1] In der Höhe von Ionosphäre und Magnetosphäre ist die Feldstärke bereits auf einige Volt pro Kilometer abgesunken.[2]
Ermitteln der Erdladung
Im messtechnisch ermittelten Mittel beträgt die Feldstärke in der Luft (in einigen Metern Höhe über dem Erdboden) 130 V/m.[1] Aus dem Zusammenhang
- $ Q=-\varepsilon _{r}\,E\,A $
lässt sich die Überschussladung der Erde berechnen. Hierbei ist Q die elektrische Ladung der Erde, εr ist die Dielektrizitätskonstante und damit etwa die Permittivität von Luft, E die in der Luft gemessene und gemittelte Feldstärke und A ist die Erdoberfläche mit 5,1·1014 m2. Es ergibt sich, dass die zeitlich gemittelte Ladung der Erde Q = -0,6 Megacoulomb beträgt.[1]
Beschleunigung von Ionen
Ionen werden durch das Erdfeld – zusätzlich zur Schwerebeschleunigung – beschleunigt. Die Beschleunigung erhält man aus der Gleichung
- $ a={\frac {E\,Q}{m}} $
wobei a die Beschleunigung des Ions aufgrund der des Erdfeldes und m die Masse des Ions ist.
Beispielsweise ist die Beschleunigung eines einfach positiv geladenen Sauerstoffatoms, welche etwa aufgrund der Sonnenwinde in der Ionosphäre entstehen, wegen des elektrostatischen Erdfeldes etwa 80 Millionen mal so groß wie die lokale Schwerebeschleunigung. Jedoch werden die so beschleunigten Ionen durch die Kollision mit anderen Atomen in der Atmosphäre gebremst, weshalb die so beschleunigten Ionen üblicherweise Geschwindigkeiten von 100 m/s (360 km/h) aufweisen.
Auswirkung
Bei wolkenlosen Himmel im ebenen Gelände lassen sich in der Luft elektrische Feldstärken zwischen 100 V/m und 300 V/m von oben nach unten mit Potentialsonden oder mit um die horizontale Achse drehbaren Plattenkondensatoren, sogenannten Rotationsvoltmetern, feststellen. Bei Gewittern entstehen aufgrund der Ladungstrennung in den Wolken jedoch auch wesentlich höhere Feldstärken von 25 bis 35 kV/m, die man am Boden beobachten kann. Ab diesen Feldstärken kommt es auch in Form von Blitzen zu Entladungen (Ladungsausgleich).
Wenn man einen elektrisch leitfähigen Körper in das elektrostatische Feld der Erde einführt, so bildet die Oberfläche dieses Körpers aufgrund von Influenz eine Äquipotentialfläche. Daraus resultiert, dass ein leitfähiger Körper das elektrostatische Feld quasi um sich herum führt. Er bleibt auf Grund der Influenz dadurch selbst spannungsfrei. Wird der elektrisch leitfähige Körper mit der Erde verbunden, so weist dieser das gleiche Potential wie die Erde auf, was man etwa im Fall des Blitzableiters nutzt.
Dass sich das elektrische Potential auf der Oberfläche eines leitfähigen Körpers gleichmäßig verteilt, führt auch dazu, dass etwa der leitfähige menschliche Körper keine Spannungsdifferenzen in der Luft fühlen kann, sondern bestenfalls eine geringe Kraft zwischen Körpern mit unterschiedlicher Ladung.
Extrembeispiele von Luftionisation sind Ionisationswolken, hervorgerufen durch den NEMP (~50 kV/m) bei der Detonation von Nuklearwaffen, oder den EMP reiner EMP-Waffen (bzw. anderer EMP verursachender Effekte).
Literatur
- Adalbert Prechtl; Vorlesungen über die Grundlagen der Elektrotechnik I; Springer Verlag; Wien 1999; ISBN 3-211-82553-3 und ISBN 978-3-211-82553-2
Einzelnachweise
- ↑ 1,0 1,1 1,2 Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik. Springer, 2008, ISBN 978-3540682103 (eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
- ↑ Richard Lenk, Walter Gellert (Hrsg.): Brockhaus ABC Physik, Band 1, F. A. Brockhaus, 1972, S. 347
