Die Stromstärke

Die Elektronen in einem Metall sind wie Gasmoleküle in ständiger, ungeordneter Bewegung. Ihre Geschwindigkeit liegt in der Größe von unglaublichen `$10^5$ m/s (folgende Abb.a)! Liegt eine Spannung an, beginnen sich alle Elektronen zusätzlich in Richtung Plus-Pol zu bewegen (b). Man spricht von der Driftgeschwindigkeit. Wie groß ist sie etwa?

a) Ungeordnete Bewegung eines Elektrons in einem Leiter, wenn kein Strom fließt, b) Wenn eine Spannung anliegt, dann driften zusätzlich alle Elektronen langsam in Richtung Pluspol.

Nimm an, 1 A fließt durch ein Kupferkabel mit 0,5 mm Radius. Pro Sekunden müssen also 1 C bzw. rund 1019 Elektronen an der Messstelle vorbei. Diese Elektronen befinden sich im farbig markierten Zylinder (Abb. 24.3 a). Dieser muss sich pro Sekunde um seine eigene Höhe verschieben, damit alle Elektronen am Beobachter vorbeikommen. Wir müssen uns also die Höhe dieses Zylinders ausrechnen.

a) Zu Beginn der Messung; b) nach einer Sekunde. Im Zylinder befindet sich 1 C an Ladung. Die Höhe des Zylinders ist stark übertrieben dargestellt.

In Kupfer befinden sich etwa $10^{29}$ freie Elektronen pro m$^3$. Der Zylinder muss also ein Volumen von $\frac{10^{19}}{10^{29}} m^3 = 10^{-10} m^3$ besitzen. Das Kabel hat einen Querschnitt von $A = r^2\cdot \pi \approx 10^{-6} m^2$. Das Volumen des Zylinders ist $V = A\cdot h$ und seine Höhe daher $h = \frac{V}{A} = 10^{-4}$ m. Weil sich der Zylinder in einer Sekunde um seine eigene Höhe verschiebt, ergibt sich für die Driftgeschwindigkeit der Elektronen $10^{-4}$ m/s oder 0,1 mm/s. Erstaunlich, aber die Elektronen bewegen sich im extremen Bummeltempo in Richtung Plus-Pol (F3)!

Die genauen Mechanismen bei der Blitzentstehung sind noch immer nicht klar. Grundsätzlich haben Blitze ihren Ursprung in den elektrisch geladenen Gewitterwolken. Durch die starken Aufwinde im Inneren kommt es zu einer Ladungstrennung. Die Wolke lädt sich oben positiv und unten negativ auf (Abb. a). Und dann geht's los.

Negativer Wolke-Erde-Blitz - mehr als 90 % aller Blitze laufen so ab.

Zuerst bewegt sich ein negativ geladener Leitblitz in Verästelungen von der Wolke zur Erde (a). Wenn er sich ihr auf einige 10 m genähert hat, dann „wachsen“ ihm positive Fangladungen von hohen Objekten entgegen (b). Eine gewinnt das Rennen, und wenn sie mit dem Leitblitz zusammentrifft, dann kommt es zur Hauptentladung (c). Das ist das, was wir dann den Blitz nennen. Bei der Hauptentladung fließen im Wesentlichen die negativen Ladungen aus dem Leitblitz zur Erde ab, und diese erzeugen das Licht, dass wir dann sehen. Wie hoch ist dabei die Stromstärke?

Nehmen wir einen wirklich starken Blitz! Bei diesem fließt eine Ladung von etwa 10 C. Das ist überraschend wenig, hat doch eine kleine Batterie einige tausend Coulomb. Allerdings fließt die Blitzladung auch blitzschnell ab, nämlich innerhalb von rund $10^{-4}$ s. Und das ergibt für die Stromstärke I = Q/t eines sehr starken Blitzes beachtliche 100.000 A (F5).