Wenn Sie im Internet die Frage eingeben: "Wie kann ich mich vor Blitzen schützen", finden Sie unter anderem den Hinweis, dass Sie in einem Auto mit einer Metallkarosserie sicher sind. Warum das so ist, sollen Sie in einer Simulation nachvollziehen.
In der Simulation sehen Sie zwei graue Rechtecke, welche die Metallkarosserie eines Autos modellieren sollen. Wenn Sie auf den Button Menschatome klicken, werden in das Innere Atome eingefügt, wobei zur Vereinfachung nur jeweils ein Proton und ein Elektron angezeigt werden. Die Simulation veranschaulicht ein Atom stark vereinfacht: die Größenverältnisse stimmen nicht und Proton und Elektron werden als klassische Kugel dargestellt. Wenn Sie auf Metallatome klicken, dann werden einige Metallatome angezeigt, die sich in der Autohülle befinden. Wenn Sie auf den Button Animation starten klicken, dann beginnen die Elektronen sich zu bewegen. Die Protonen bewegen sich nicht, was als eine weitere Vereinfachung in dieser Simulation so programmiert wurde, denn - wie Sie wissen - schwingen in jedem Körper, dessen Temperatur nicht -273,15°C ist, die Atome um ihre Ruhelage.
Die Simulation verwendet das Coulombgesetz \(F_{\text{el}} = \frac{1}{4 \cdot \pi \cdot \epsilon_0} \frac{q_1 \cdot q_2}{r^2}\) und das 2. Newtonsche Grundgesetz \(F = m \cdot a\) für die Modellierung der Bewegung in einer Ebene. Zuerst wird die auf ein Elektron resultierende elektrische Kraft berechnet und dann wird mit dieser Kraft die Beschleunigung in Richtung der resultierenden Kraft berechnet. Nachdem sich ein Elektron eine kurze Strecke bewegt hat, wird die Kraft wieder neu berechnet, da viele Ladungen ihre Position geändert haben. Das alles wird für jede Ladung durchgeführt, so dass die Simulation umso langsamer abläuft, je mehr Ladungen vorhanden sind.
Mit dem Button Blitzeinschlag können Sie einen Blitz auslösen und es werden oben in den Metallbehälter so viele Elektronen einschlagen, wie Sie mit dem Schieberegler Blitzladung eingestellt haben. Die Simulation ist dann sich selbst überlassen und berechnet ständig neu die Position aller Elektronen, wobei die Elektronen in ihrem Metallbehälter eingeschlossen sind. Das Verhalten der Elektronen ist im Vergleich zur Wirklichkeit eine starke Vereinfachung, das grundlegende Verhalten wird aber sichtbar.
E3.1: Setzen Sie KEINE Atome in die Simulation, starten Sie die Animation und lösen Sie einen Blitz mit 50 Elektronen aus. Lassen Sie die Simulation eine Minute laufen. Wie haben sich die Blitz-Elektronen nach einer Minute verteilt?
E3.2: Lassen Sie einen Blitz mit 200 Elektronen und dann 400 Elektronen einschlagen und wiederholen Sie die Beobachtung. Erklären Sie, warum sich die Elektronen wie von Ihnen beobachtet verteilen.
E3.3: Setzen Sie jetzt die Mensch- und Metallatome in die Simulation, starten Sie die Animation und lassen Sie Blitze einschlagen. Konzentrieren Sie sich jetzt bei der Beobachtung auf das Verhalten der Elektronen im Inneren des Metallbehälters. Vergleichen Sie die Stromstärke in der Metallhülle mit der im Inneren des Behälters (also die Stromstärke des Stroms, der durch den Menschen fließt). Was fällt Ihnen auf?
E3.4: Stellen Sie eine Hypothese auf, warum ein Mensch in einem Metallauto vor einem Blitzschlag geschützt ist. Warum fließt also durch den Menschen kein Strom mit nennenswert hoher Stromstärke, der gefährlich werden könnte?
In einem neuen Fenster starten: Faraday-Käfig