Elektrostatisches Feld der Erde

2023-10-12T17:35:44Z

77.1.92.103: Rechnung: 500 kC/500 Mio. km2 Erdoberfläche ergibt die Größenordnung von 1 pC/m2

{{QS-Physik|Unerledigt=2016}}
Das '''elektrostatische Feld der Erde''', auch als '''elektrostatisches Erdfeld''', ''elektrisches Feld der Erde'' oder ''elektrisches Erdfeld'' bezeichnet, resultiert daraus, dass die [[Erdoberfläche]] lokal eine negative [[elektrische Ladung|elektrische Überschussladung]] von einigen hundert [[Coulomb|Kilocoulomb]] entsprechend der Größenordnung von 1 pC/m2 aufweist, während die [[Ionosphäre]] gleich stark positiv aufgeladen ist. Vereinfacht gesagt stellen die jeweils gut [[Elektrische Leitfähigkeit|elektrisch leitende]] Erdoberfläche und die Ionosphäre die Platten eines großen [[Kondensator (Elektrotechnik)|Kondensators]] dar mit der elektrisch nichtleitenden [[Erdatmosphäre]] als [[Dielektrikum]] dazwischen.

== Ströme innerhalb des Erdfeldes ==
Da die Erdatmosphäre keinen vollkommenen Isolator darstellt (alleine schon wegen der durch ionisierende Strahlung gebildeten Ionen) führt die Ladungstrennung zu einem sogenannten „Schönwetterstrom“ mit einer [[Elektrische Stromdichte|Stromdichte]] der Größenordnung pA/m2, der das Erdfeld innerhalb kürzester Zeit (Sekunden) zum Verschwinden bringen würde. Verschiedene Mechanismen werden diskutiert, wie die beobachtete Ladungstrennung nachgeliefert wird. Sicherlich einen wesentlichen Beitrag liefern Blitze zwischen Gewitterwolke und Erde, die negative Ladung zur Erdoberfläche transportieren. Insgesamt bleibt das [[Elektrisches Feld|elektrische Feld]] der Erde stationär, im messtechnisch ermittelten Mittel beträgt die [[elektrische Feldstärke|Feldstärke]] <math>\vec E</math> in der Luft (in einigen Metern Höhe über dem Erdboden) 130 [[Volt|V]]/[[Meter|m]].<ref name="Demtröder">{{Literatur
| Autor = Wolfgang Demtröder
| Titel = Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik
| Verlag = Springer
| ISBN = 978-3540682103
| Jahr = 2008
| Online =
{{Google Buch
| BuchID = AtDxWU39CTMC
| Seite = 37
}}
}}</ref>

== Verteilung der elektrischen Ladung ==
In der Nähe der Erdoberfläche kann man etwa 1000 Ionen je [[Kubikzentimeter]] feststellen, wobei ein Kubikzentimeter bei [[Normaldruck]] 3·1019 [[Molekül]]e enthält. Die Atmosphäre ist dort also nur schwach ionisiert, sie enthält sowohl positive als auch negative [[Ion]]en. 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.

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 <math>\frac{1}{r^2}</math>-Zusammenhang.<ref name="Demtröder" /> In der Höhe von [[Ionosphäre]] und [[Magnetosphäre]] ist die Feldstärke bereits auf einige Volt pro Kilometer abgesunken.<ref>Richard Lenk, Walter Gellert (Hrsg.): Brockhaus ABC Physik, Band 1, F. A. Brockhaus, 1972, S. 347</ref>

== Ermitteln der Erdladung ==
Aus der Feldstärke 130 V/m und dem Zusammenhang
:<math>Q=-\varepsilon_0\varepsilon_r\,E\,A</math>
lässt sich die Überschussladung der Erde abschätzen. Hierbei ist ''Q'' die elektrische Ladung der Erde, ''ε''r ist die [[Dielektrizitätskonstante]] und damit etwa die [[Permittivität]] von [[Luft]], ''E'' der Betrag der in der Luft gemessenen und gemittelten Feldstärke und ''A'' ist die [[Erdoberfläche]] mit 5,1·1014 [[Quadratmeter|m2]]. Es ergibt sich, dass die zeitlich gemittelte Ladung der Erde Q = −0,6 [[Coulomb|Megacoulomb]] beträgt.<ref name="Demtröder" />

== Beschleunigung von Ionen ==
Ionen werden durch das Erdfeld – zusätzlich zur Schwerebeschleunigung – beschleunigt. Die Beschleunigung erhält man aus der Gleichung
:<math>\vec a=\frac{\vec E \,Q}{m}</math>
wobei <math>\vec a</math> die Beschleunigung des Ions aufgrund der des Erdfeldes und ''m'' die Masse des Ions ist.

Beispielsweise ist die Beschleunigung eines einfach positiv geladenen [[Sauerstoff]]atoms, 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.

== Messung ==
Bei wolkenlosem Himmel im ebenen Gelände lassen sich in der Luft [[elektrische Feldstärke]]n zwischen 100 [[Volt|V]]/[[Meter|m]] und 300 V/m von oben nach unten mit Potentialsonden oder mit um die horizontale Achse drehbaren [[Plattenkondensator]]en oder sogenannten [[Rotationsvoltmeter]]n, feststellen. Bei [[Gewitter]]n entstehen aufgrund der Ladungstrennung in den Wolken jedoch auch wesentlich höhere Feldstärken von 25 bis 35 kV/m, die man am Boden beobachten kann.


== Literatur ==
*{{Literatur
|Autor = [[Adalbert Prechtl]]
|Titel = Vorlesungen über die Grundlagen der Elektrotechnik, Band 1
|Verlag = Springer Verlag | Ort = Wien | Jahr = 1999 | ISBN = 978-3-211-82553-2 }}

== Einzelnachweise ==
<references />

== Siehe auch ==
* [[Erdmagnetfeld]]

[[Kategorie:Geophysik]]
[[Kategorie:Elektrostatik]]

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