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Gewitter/Blitze und deren Stromstärke
 
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higgsi



Anmeldungsdatum: 10.12.2020
Beiträge: 4

Beitrag higgsi Verfasst am: 10. Dez 2020 23:43    Titel: Gewitter/Blitze und deren Stromstärke Antworten mit Zitat

Meine Frage:
Hallo allerseits, ich habe hier so ein kleines Problem. Es geht um Gewitter, welche das elektrische Feld auf der Erde erzeugen. Dabei ist eine Aufgabe, die weltweit insgesamt pro Sekunde zur Erde transportierte Ladung zu berechnen und dabei habe ich echt Probleme. Die Informationen die ich habe sind: Auf unserer Erde gibt es ständig ca. 2000 Gewitter, die jeweils einen Erdblitz pro Minute erzeugen. In einem Blitz werden in 0,0001s 20C negative elektrische Ladung zur Erde transportiert. Zwischen Erdoberfläche und Ionosphäre in ca. 70km Höhe entsteht ein elektrisches Feld, dessen mittlere Feldstärke in Bodennähe in Schönwettergebieten 130V/m beträgt. Zwischen der Ionosphäre und dem Erdboden ist auch eine Wolke, dessen Ladungen getrennt sind. Oben befindet sich der positive Teil der Wolke und unten der negative Teil. Die Wolke reicht von 2km Höhe bis 14km Höhe. Der Erdboden liegt natürlich bei 0km Höhe.


Meine Ideen:
Ladung pro Sekunde ist ja nur ein anderer Ausdruck für Stromstärke und dieses Modell mit der positiv geladenen Ionosphäre und der negativ geladenen Erdoberfläche entspricht ja einem (stark vereinfacht) Plattenkondensator. In einem Plattenkondensator berechne ich die Stromstärke mit U/R = I. Der Widerstand wäre hier doch die Luft, aber ich habe keine Spannung gegeben und ich kann diese auch mit der Feldstärke und der Höhe nicht berechnen, da die Feldstärke nicht überall gleich ist. Die Stromstärke kann man ja auch mit Q/t = I berechnen, jedoch nur für einen Blitz... und ich weiß nicht wie viele Blitze ein Gewitter hat. Denke ich einfach zu kompliziert? Ich bin leider echt verzweifelt.
isi1



Anmeldungsdatum: 03.09.2006
Beiträge: 2777

Beitrag isi1 Verfasst am: 11. Dez 2020 09:00    Titel: Antworten mit Zitat

Einfach Wikipedia fragen, higgsi:
Zitat:
Meistens fließt die negative Ladung von der Wolkenunterseite zum Boden, man spricht vom Negativblitz. Seltener wird positive Ladung der Erdoberfläche zugeführt (Positivblitz). Meistens handelt es sich dabei um eine besonders intensive Entladung, deren Hauptentladung auch deutlich länger anhält als beim Negativblitz. Der Positivblitz besteht in aller Regel auch nur aus einer Hauptentladung. Die Stromstärke einer Hauptentladung bei Positivblitzen wird mit bis zu 400.000 Ampere angegeben.[18] Sie sind daher weitaus gefährlicher als Negativblitze, machen allerdings nur etwa 5 % aller Erdblitze aus. Positivblitze entstammen oft dem oberen, positiv geladenen Teil der Gewitterwolke oder dem Wolkenschirm. Sie können auch aus der Wolke austreten und durch den wolkenfreien Raum ihren Weg zu einem Einschlagsziel am Boden nehmen. Die Einschlagstelle kann dabei durchaus einige Kilometer von der Gewitterzelle entfernt liegen. Positivblitze treten auch in den rückwärtigen, stratiformen Bereichen des Gewitters sowie in deren Auflösungsphase auf. Außerdem haben Wintergewitter, in denen der Niederschlag in gefrorener Form fällt, einen hohen Positivblitzanteil.
https://de.wikipedia.org/wiki/Blitz#Spannungen_innerhalb_einer_Gewitterwolke:_Wolkenblitz_und_Erdblitz
Da steht noch viel mehr, auch zu Deinen übrigen Fragen.
Falls Du etwas Seriöseres lesen willst: Im 'Taschenbuch für Elektrotechniker' Bd.II von Prof. Dr. Ing. F. Moeller wird das Thema abgehandelt.

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Grüße aus München, isi •≡≈ ¹₁₂½√∠∞±∫αβγδεηκλπρσφω ΔΣΦΩ
Myon



Anmeldungsdatum: 04.12.2013
Beiträge: 3763

Beitrag Myon Verfasst am: 11. Dez 2020 09:29    Titel: Antworten mit Zitat

Wenn es nur darum geht, die in der Aufgabe gestellte Frage nach der pro Sekunde zur Erde geleiteten Ladung (=durchschnittliche Stromstärke) zu beantworten, benötigt man denke ich die Angaben zur Feldstärke etc. nicht. Es ist ja gegeben:

-etwa 2000 Gewitter gleichzeitig auf der Erde
-pro Gewitter 1 Blitz pro Minute
-pro Blitz Transport von 20 C neg. Ladung zur Erde.

Die pro Sekunde zur Erde geleitete Ladung ist also einfach das Produkt dieser drei Faktoren.
isi1



Anmeldungsdatum: 03.09.2006
Beiträge: 2777

Beitrag isi1 Verfasst am: 11. Dez 2020 09:45    Titel: Antworten mit Zitat

Myon hat Folgendes geschrieben:
Die pro Sekunde zur Erde geleitete Ladung ist also einfach das Produkt dieser drei Faktoren.
Ja genau, Myon, nur muss man natürlich jeweils auch die Vorzeichen der transportierten Ladung berücksichtigen, denn die selteneren Positivblitze sollen ja ein Vielfaches der Ladung eines Negativblitzes übertragen.
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Myon



Anmeldungsdatum: 04.12.2013
Beiträge: 3763

Beitrag Myon Verfasst am: 11. Dez 2020 12:22    Titel: Antworten mit Zitat

Ist halt eine Aufgabe, da kommt es auf solche Feinheiten nicht an. Hier gibt es nur negative Blitze;)
isi1



Anmeldungsdatum: 03.09.2006
Beiträge: 2777

Beitrag isi1 Verfasst am: 11. Dez 2020 12:40    Titel: Antworten mit Zitat

Myon hat Folgendes geschrieben:
Ist halt eine Aufgabe, da kommt es auf solche Feinheiten nicht an. Hier gibt es nur negative Blitze;)
Ja, das kann sein, denn
Spannung U = 130V/m * 70 km = 9 MV
Kapazität C = 57 mF
Ladung Q = C * U = 0,5 MAs

Da kann der Blitz 26000 mal einschlagen, bei 2000 Gewittern darf also jedes Gewitter 13 Minuten dauern, wenn es keine Positivblitze gibt.

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higgsi



Anmeldungsdatum: 10.12.2020
Beiträge: 4

Beitrag higgsi Verfasst am: 11. Dez 2020 14:38    Titel: Antworten mit Zitat

Ich danke euch beide für diese Ansätze! Jedoch weiß ich nicht ob ich davon ausgehen darf, dass das Feld homogen ist. In der 1. Aufgabe steht dass ich davon ausgehen soll dass das Feld homogen ist, bei der Aufgabe die ich momentan versuche zu lösen, jedoch nicht unglücklich Im Internet findet man vor allem den permanenten Ladestrom von 1000A, der ist ja jetzt nicht so groß aufgrund der schlechten Leitfähigkeit von Luft. Ein Tipp der uns gehen wurde war: Es steht alles im Tafelwerk. Die Kapazität des Kondensators haben wir uns z.B. noch nicht angeschaut, deswegen gehe ich davon aus, dass diese hier eigentlich nicht gebraucht wird. Vielleicht spielt diese eine Wolke eine gewisse Rolle, sie verhält sich ja wie eine Batterie, angeschlossen an einen Kondensator. Vielen vielen Dank für eure Ansätze! C:

Wir haben uns vor allem die Lade- und Entladeprozesse in Kondensatoren angeschaut, aber irgendwie komme ich auf keinen guten Ansatz. Das nicht homogene Feld stört... unglücklich
Steffen Bühler
Moderator


Anmeldungsdatum: 13.01.2012
Beiträge: 5820

Beitrag Steffen Bühler Verfasst am: 11. Dez 2020 14:52    Titel: Antworten mit Zitat

Willkommen im Physikerboard!

Die Aufgabe lässt sich à la Myon einfach lösen (allerdings muss noch von Minute auf Sekunde umgerechnet werden). Alle anderen Angaben dienen nur der Verwirrung des Studenten.

Viele Grüße
Steffen
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