Blitze und Spannungsquellen

Spannungsquellen

Obwohl sie im Alltag oft gleichwertig verwendet werden, sollten die Begriffe „Stromquelle“ und „Spannungsquelle“ nicht verwechselt werden. Beides sind Begriffe für elektrische Energiequellen, aber mit ganz unterschiedlichen Eigenschaften.

Eine Spannungsquelle liefert elektrische Spannung, die idealerweise nicht von dem im Stromkreis fließenden elektrischen Strom abhängt. Das heißt, unabhängig von der Anzahl oder Art der Bauteile (z. B. Widerstände, LEDs, Glühbirnchen) im Stromkreis, liefert die Spannungsquelle immer konstante Spannung. In der Realität fällt die Spannung ab, sobald ein Bauteil verbunden ist und Strom fließt.

Im Alltag begegnen uns unterschiedliche Spannungsquellen:

Im Gegensatz dazu liefert eine Stromquelle elektrische Energie mit konstanter Stromstärke, die idealerweise nicht (bzw. nur gering) von der elektrischen Spannung und der Anzahl der Geräte im Stromkreis abhängig ist.

Stromquellen sind üblicherweise Spannungsquellen, die mit Hilfe geeigneter elektrischer Schaltungen in Stromquellen verwandelt wurden.

Gewitter

Blitze faszinieren, sind aber auch erschreckend. Früher dachte man, dass der Zorn von je nach Region unterschiedlicher Götter – wie Zeus, Raijin oder Thor – für Blitz und Donner auf der Erde sorgte. Heute wissen wir, dass die Gewitterhauptzutaten eher unspektakuläre Namen tragen: Aufsteigende Luft, Wasserdampf und Reibungselektrizität.

Gewitterwolken

Aus aufsteigenden, warmen Luftmassen mit hoher Luftfeuchtigkeit kondensiert zunächst eine Haufenwolke. Strömt die feuchte Luft weiter in die Höhe, wächst aus der Wolke ein „Dach“ aus winzigen Eiskristallen – eine Gewitterwolke entsteht.

In den Gewitterwolken herrschen starke Winde. Während sich die Wolke auftürmt, reiben und stoßen die Wasserteilchen ständig aneinander. Es kommt zur Ladungstrennung durch Reibungselektrizität: Das Wolkendach mit den Eiskristallen lädt sich positiv auf, die schweren Tropfen im unteren Bereich der Wolke negativ. Ein elektrisches Feld baut sich auf und bewirkt Ladungsverschiebung im Boden unter der Gewitterwolke.

Auf diese Weise entstehen große Spannungsunterschiede sowohl innerhalb der Wolke als auch zwischen Wolke und Boden. Schließlich kommt es durch gigantische Funken zum lokalen Spannungsausgleich, sowohl innerhalb der Wolke als auch zwischen Wolke und Boden.

Blitz und Donner

Durch die hohe Stromstärke wird es innerhalb des Blitzes bis zu 30 000 °C heiß. Dabei wird die Luft zu Plasma und leuchtet hell. Durch die plötzliche Hitze kommt es zum Donner, weil sich die Luft explosionsartig ausdehnt (Wärmedehnung). Den Unterschied zwischen Schallgeschwindigkeit in der Luft (rund 340 m/s) und Lichtgeschwindigkeit (rund 300 000 km/s) nutzt man, um zu berechnen, wie weit das Gewitter entfernt ist:

Sieht man einen Blitz, dann beginnt man die Sekunden zu zählen (21, 22, 23 ...) bis man den Donner hört. Dividiert man die Sekunden zwischen Sehen des Blitzes und Hören des Donners durch 3, dann weiß man, wie viele Kilometer entfernt es geblitzt hat.

Verhalten bei Gewitter

Wenn die Abstände zwischen Blitz und Donner immer geringer werden, kommt das Gewitter näher. In diesem Fall, sollte man folgendes beachten.

• Gebäude mit Blitzableiter
• Fahrzeuge mit Metallkarosserie
• Hocke in der Mulde

• Hügel
• Gewässer
• große Bäume

Vorsicht Bäume und Gewässer: Große Bäume sollten bei Gewitter gemieden werden. Aktivitäten im Wasser und am Ufer sind bei Gewitter besonders gefährlich (Schwimmen, Angeln, Boot fahren, …).

Faradayscher Käfig

Wirklich sicher ist man vor Blitzen nur in einem Faradayschen Käfig, wie z. B. in einem Gebäude mit Blitzableiter oder in Fahrzeugen mit Metallkarosserie (z. B. Auto, Wohnwagen, Eisenbahnwaggon, Flugzeug).

Schrittspannung

Welche Position ist bei Gewitter am besten?

Bei jedem Blitzeinschlag in den Boden bildet sich durch die Stromverteilung ein trichterförmiger Bereich mit nach außen hin abnehmender Spannung in der Erde, der sogenannte Spannungstrichter. Schlägt ein Blitz in der Nähe ein, ist es wichtig, möglichst geringem Potentialunterschied ausgesetzt zu sein, damit der Strom nicht durch den Körper fließt. Durch den Beinabstand von Menschen oder Tieren können unterschiedliche Potentialbereiche überbrückt werden. Diese sogenannte Schrittspannung führt dann zu einem Stromfluß durch den Körper. Daher im Notfall im freien Gelände eine Mulde oder einen Hohlweg suchen, um sich mit geschlossener Fußstellung auf den Boden zu hocken. Dadurch vermindert sich die Gefährdung durch Schrittspannung.

Blitze als Energiequelle?

Die elektromagnetischen Daten zu Blitzen sind beeindruckend: Stromstärken bis zu 100 000 A und Spannungen von einigen Millionen Volt. Kein Wunder, dass in Film und Literatur oft in gruseligen Laboren an der Nutzung von Blitzen für üble Machenschaften gebastelt wird.

Außerhalb des Reiches der Fantasie hat die Nutzung der elektrischen Energie aus Blitzen leider mehrere Haken:

• Unregelmäßigkeit: Blitze sind wenig vorhersehbar und schon gar nicht planbar.
• Ort: Da sich ein Gewitter bewegt, sind nur wenige Blitze an ein und demselben Ort zu erwarten. Zusätzlich sind etwa 90 % der Blitze innerhalb der Wolken.
• Speicher: Das Speichern der Blitzenergie ist durch die hohen Stromstärken sehr schwierig.
• Energiemenge: Da so ein Blitz extrem kurz dauert, ist die übertragene Energiemenge viel geringer, als man glauben möchte: z. B. bei einer Entladung von 10 000 000 V mit 30 kA innerhalb von 30 μs könnte man nur 2,5 kWh gewinnen – das reicht für etwa 17 Stunden fernsehen oder 2,5 Stunden Haare föhnen.

Die positive Nachricht: Es ist sehr unwahrscheinlich von einem Blitz getroffen zu werden. Falls doch, sind die Überlebenschancen nach dem Blitzschlag aufgrund der geringen Einwirkdauer viel höher als bei anderen Hochspannungsunfällen.

Elektrosinn und Spannungsquellen im Tierreich

Fledermäuse orientieren sich beim Flug in der Nacht mit Hilfe ihres Ultraschall-Sinnes. Ganz ähnlich kann man sich die Funktionsweise der Elektroortung bei Fischen mit Elektrosinn vorstellen. Fische mit aktiver Elektroortung erzeugen mit einem elektrischen Organ selbst elektrische Signale zur Orientierung und/oder Nahrungssuche in trübem Wasser oder in der Nacht. Manche Arten verständigen sich auch mit diesen elektrischen Signalen. Die elektrischen Impulse werden an Hindernissen oder anderen Meeresbewohnern reflektiert. Mit Rezeptororganen in der Haut bemerkt der Fisch diese Reflexionen und erkennt an der Art der Signale, ob es sich um Beutetiere, Fressfeinde oder Hindernisse handelt.

Die meisten Elektrofische erzeugen ein sehr schwaches elektrisches Feld mit einer Spannung von unter einem Volt.

Zitterfische können allerdings viel höhere Spannungen für die Jagd und zur Abwehr erzeugen. Zitteraale (die eigentlich gar nicht mit den Aalen verwandt sind) können Stromschläge mit mehreren 100 Volt erzeugen. Solche Spannungen können auch für Menschen tödlich sein. Die Zitterfische nutzen diese Fähigkeit zum Beutefang oder zur Abwehr bei Bedrohungen. Zu den Zitterfischen zählen Zitteraale, Zitterwelse und Zitterrochen.

Elektrische Organe

Während die starken elektrischen Organe der Zitterfische mit elektrische Spannungen von 5 V – 800 V oder Stromstärken bis zu mehreren Ampere unregelmäßig Signale senden, werden die nur zur Ortung und Kommunikation dienenden schwachen elektrischen Organe der Nilhechte (1 V – 5 V) stetig und in gleichmäßigen Abständen entladen. Aber was macht die Spannung und Stromstärke dieser Organe so unterschiedlich? Durch parallelen und seriellen Schaltung von hundert bis zu mehreren Millionen spezialisierter Elektrozellen (Elektrocyten) wird die Spannung und die Stromstärke bestimmt: Eine serielle Anordnung erhöht die Spannung, eine parallele Anordnung erhöht die Stromstärke.

Passive Elektroortung

Tiere mit passiver Elektroortung haben einen Elektrosinn, senden aber selbst keine elektrischen Signale. Zu diesen Tieren zählen z. B. Schnabeltiere, Haie, Chimären und Rochen.

Schnabeltiere suchen Beutetiere wie Süßwassergarnelen oder Würmer mit Hilfe ihres Elektrosinnes im Schlamm von Flüssen oder Seen.

Die gelgefüllten Elektrorezeptoren der Knorpelfische sehen bei dem Tigerhai ein bisschen wie Bartstoppeln aus. Sie werden, nach dem italienischen Mediziner Stefano Lorenzini, Lorenzinische Ampullen genannt.