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Hochspannungsanlage — Künstlicher Blitz (3D)

Über diese App

Die Blitzvorführung des Deutschen Museums: ein verzweigter Lichtbogen springt von der Toroid-Elektrode über. Spannung und Funkenstrecke regeln den Durchschlag (E = U/d ab ~3 kV/mm), der Faradaysche Käfig schützt den Vorführer — ohne Käfig wird er „getroffen".

Mit Erklärmodus: Ein KI-Tutor führt dich durch die App, zeigt in der Szene, worauf es ankommt, und beantwortet deine Fragen.

Wann Luft durchschlägt

Trockene Luft ist ein Isolator. Zwischen zwei Elektroden mit der Spannung U im Abstand d herrscht näherungsweise die Feldstärke E = U/d. Übersteigt sie die Durchschlagfeldstärke von rund 3 kV/mm, werden Luftmoleküle ionisiert, es bildet sich ein leitender Kanal und ein Lichtbogen zündet. Ein doppelt so großer Abstand braucht deshalb etwa die doppelte Spannung. Schon unterhalb des Durchschlags leuchtet an spitzen oder stark gekrümmten Stellen die Korona, weil dort das Feld lokal am stärksten ist.

Was die App zeigt

Links steht eine Hochspannungselektrode auf einem Porzellan-Isolatorstapel mit Toroid und Metallkugel, rechts ein Vorführer auf einer geerdeten Bodenplatte, wahlweise in einem Drahtkäfig. Zwischen beiden springt ein verzweigter Lichtbogen über, sobald die Feldstärke reicht. Die Anzeige nennt die Feldstärke in kV/mm, ob ein Durchschlag möglich ist und wie es dem Vorführer geht. Die Anordnung ist der Blitzvorführung in der Hochspannungsanlage des Deutschen Museums nachempfunden.

Was du ausprobieren kannst

Stelle die Spannung zwischen 0 und 1500 kV und die Funkenstrecke zwischen 5 und 60 cm ein und beobachte, ab wann die Luft durchschlägt. Mit „Entladen“ zündest du einen Schlag. Schalte dann den Käfig aus: Der Blitz sucht sich den Körper als Weg zur Erde und die Anzeige meldet „getroffen“. Mit Käfig trifft der Blitz das Gitter und fließt außen ab, der Vorführer bleibt unversehrt.

Häufige Fragen

Warum schützt ein Faradayscher Käfig vor Blitzen?
Ein geschlossener Leiter verschiebt seine freien Ladungen so lange, bis das elektrische Feld in seinem Innern verschwindet. Trifft ein Blitz den Käfig, fließt der Strom über die leitende Hülle zur Erde, und innen entsteht keine nennenswerte Spannung zwischen zwei Punkten. Deshalb ist auch ein Auto mit Metallkarosserie bei Gewitter weitgehend sicher.
Ab welcher Feldstärke schlägt Luft durch?
Für trockene Luft bei Normaldruck im annähernd homogenen Feld liegt die Durchschlagfeldstärke bei etwa 3 kV/mm, also 3 MV pro Meter. Feuchtigkeit, Luftdruck und die Form der Elektroden verschieben diesen Wert. Bei langen Funkenstrecken und spitzen Elektroden zündet ein Lichtbogen schon bei deutlich geringerer mittlerer Feldstärke.
Warum braucht eine größere Funkenstrecke mehr Spannung?
Die Feldstärke ist das Verhältnis aus Spannung und Abstand, E = U/d. Wird der Abstand verdoppelt, halbiert sich bei gleicher Spannung die Feldstärke und bleibt unter der Durchschlaggrenze. Erst die doppelte Spannung bringt sie wieder auf denselben Wert, dann zündet der Lichtbogen.
Was kann ich in dieser App ausprobieren?
Du regelst Spannung und Funkenstrecke, liest die Feldstärke E = U/d ab und löst per Knopf einen Blitz aus. Mit dem Umschalter für den Faradayschen Käfig vergleichst du, was mit dem Vorführer passiert: ohne Käfig wird er getroffen, mit Käfig fließt der Blitz außen über das Gitter zur Erde.

Fach: Physik-Experimente (Deutsches Museum)

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