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Leitfähigkeitswerte und statische Entladungen

Als Ergänzung zur elektrischen Leitfähigkeit, die in PapierMacher Heft 9/2005 behandelt wurde, sollen einige praktische Werte und Grenzen beschrieben werden. Die Leitfähigkeit in der Atmosphäre wird am Beispiel des Blitzschlags beleuchtet.

HLD

Der beste metallische Leiter ist Silber mit einer spezifischen Leitfähigkeit von 63 000 000 S/m (= 63 MS/m, Megasiemens pro Meter) bei 25 °C. Alle nachfolgend angegebenen Werte beziehen sich auf Material mit 25 °C. Fast so gut leitend ist Kupfer (58 MS/m), weshalb es das bevorzugte Material für elektrische Leiter ist. Aluminium ist mit 37,8 MS/m zwar deutlich schlechter, wird aber wegen des Preisvorteils auch als Leitung benutzt. Seine Legierungen sind meist noch etwas weniger leitfähig, zum Beispiel AlMgSi mit 30,3 MS/m. Auch Gold ist mit 47,6 MS/m sehr gut leitfähig und wird wegen seiner Korrosionsbeständigkeit für hochwertige Kontakte benutzt. Halbleiter liegen einige Größenordnungen niedriger, zum Beispiel Germanium bei 1100 und Silizium bei 1000 S/m. Die spezifische Leitfähigkeit von Isolatoren liegt typischerweise unter 10-10 S/m, also unter 0,0000000001 S/m. Reines Wasser ist praktisch ein Isolator mit 0,000005 S/m, Leitungswasser dagegen hat 0,05 S/m und Meerwasser ist wegen des hohen Salzgehalts fast schon ein elektrolytischer Leiter mit etwa 5 S/m.

Luft ist normalerweise nicht leitend, also ein Isolator. Durch Partikel, insbesondere aber Feuchtigkeit, steigt die Leitfähigkeit etwas an. Trotzdem sind gewaltige Spannungen notwendig, um elektrische Ladung durch Luft zu leiten. Das geschieht beim Blitz: Die Spannung erreicht durch Reibung zwischen einzelnen Wolken oder Wolke und Erde Werte von mehreren Millionen Volt, so dass ein Spannungsausgleich durch Entladung eintritt. Man unterscheidet dementsprechend Wolkenblitz und Erdblitz. Dabei können Temperaturen bis zu 30 000 °C auftreten, sechsmal so hoch wie auf der Oberfläche der Sonne. Man rechnet weltweit mit etwa 6 000 Blitzen pro Minute. Die Stromstärke eines Blitzes, der im Mittel aus 42 Einzelentladungen von nur 0,0002 Sekunden Dauer besteht, bei einer Gesamtdauer eines Blitzes von durchschnittlich 0,25 Sekunden, beträgt bis zu mehreren hunderttausend Ampere. Wer in den Bereich eines Blitzes kommt, ist extrem gefährdet. Trifft der Blitz einen Menschen, so fließt ein starker Strom meist vom Kopf durch den Körper zur Erde ab. Beim Blitzschlag wie auch bei anderen Starkstromschlägen kann es, wenn man vielleicht zunächst überlebt hat, zu gefährlichen Nachwirkungen kommen, weshalb ein Betroffener unbedingt intensivbehandelt werden muss. In Deutschland zählt man etwa fünf bis zehn Todesfälle jährlich durch Blitzschlag.

Schon 1752 erfand der amerikanische Politiker, Schriftsteller und Naturforscher Benjamin Franklin (1706 bis 1790) den Blitzableiter. Man schützt Gebäude durch Blitzableiter, die den Stromfluss am Gebäude vorbei in die Erde ableiten sollen. Stromleitungen und Funk- und Fernsehempfänger mit externer Antenne werden durch Überspannungsableiter gegen Blitze geschützt, die je nach Ausführung als Schutzfunktion Funkenstrecken und/oder spannungsabhängige Widerstände enthalten. Übrigens ist der gestandene Papiertechnologe durchaus mit kleinen Blitzschlägen per Du: Die getrocknete Papierbahn aus der Papiermaschine hat eine erhebliche Ladung, und wenn man sie abklopft, wie das der Papiertechnologe zur Wickelkontrolle am Poperoller gern tut, lädt man sich gegenüber der Erde auf. Aus dem Schuh schlägt dann der Blitz in den Boden, immerhin einige zehn- bis vielleicht über hunderttausend Volt, aber glücklicherweise nur mit einem ungefährlichen Stromfluss im Milliampere-Bereich.