Elektrische Felder

 
Jede elektrische Ladung und damit jeder spannungsführende Leiter ist von einem elektrischen Feld umgeben, dessen Richtung und Stärke durch Feldlinien dargestellt werden können. Die elektrischen Feldlinien führen definitionsgemäß von einer positiven zu einer negativen Ladung. Dies ist der Weg, den eine frei bewegliche positive Ladung infolge der Kraftwirkung des Feldes einschlagen würde.

   

Die Stärke dieser Kraftwirkung wird durch die physikalische Größe "elektrische Feldstärke" - Formelzeichen: E - beschrieben. Sie ist umso größer, je dichter die Feldlinien verlaufen. Die Einheit der elektrischen Feldstärke ist ein Volt pro Meter bzw. ein Kilovolt pro Meter. Man unterscheidet zwischen homogenen und inhomogenen elektrischen Feldern. Bei einem inhomogenen elektrischen Feld nimmt die elektrische Feldstärke an unterschiedlichen Punkten verschiedene Werte an. So verringert sich beispielsweise die elektrische Feldstärke um einen elektrischen Leiter mit wachsendem Abstand. Beim homogenen elektrischen Feld ist die Feldstärke dagegen überall gleich.

Seit dem Ende des 19. Jahrhunderts hat die vielfältige Nutzung elektrischer Energie elektrische Felder zu einem fast allgegenwärtigen Bestandteil unserer Umwelt gemacht. Technische Systeme verwenden zumeist Wechselspannung und Wechselströme, dabei ändern sich auch die dabei entstehenden Felder periodisch in Richtung und Stärke.

Das Innere eines elektrisch leitfähigen Körpers, der sich in einem elektrischen Feld befindet, ist feldfrei. So wird beim so genannten Faradaykäfig der Innenraum durch die leitfähige Umhüllung gegen ein elektrisches Feld abgeschirmt. Leitfähige Gegenstände, wie Bäume, Büsche und Gebäude, beeinflussen ebenfalls elektrische Felder. Die Leitfähigkeit der meisten Baustoffe ist ausreichend, um ein von außen wirkendes Feld im Inneren eines Gebäudes auf vernachlässigbar kleine Werte herabzusetzen.

Dies gilt auch für den Menschen, dessen Körperoberfläche (Haut) das Innere des Körpers von elektrischen Feldern abschirmt.

Elektrische Felder gibt es aber auch in der natürlichen Umgebung. An der Erdoberfläche existiert neben dem Erdmagnetfeld ein natürliches elektrisches Gleichfeld. Seine Stärke wird bestimmt durch die ionisierende Wirkung kosmischer Strahlung auf höheren Luftschichten (Ionosphäre) und durch Luftbewegungen in der Atmosphäre.

Dieses Feld besteht also zwischen den Gegenpolen Ionosphäre und Erde und erreicht bei normalen Wetterbedingungen höchstens 0,5 kV/m. Unter einer Gewitterwolke über ebenem Gelände kann das natürliche Gleichfeld vor einer Blitzentladung bis auf 20 kV/m anwachsen. Über Bodenerhebungen oder an den Spitzen hoher Bäume oder Türme können sogar noch weit höhere Werte auftreten.

Seeleute kennen seit Jahrhunderten ein daraus entstehendes, lange Zeit rätselhaftes Phänomen: das Elmsfeuer, eine Leuchterscheinung an den Mastspitzen ihrer Schiffe. Ursache des Elmsfeuers ist ein hohes luftelektrisches Potenzialgefälle, wie es sich zum Beispiel bei gewittriger Wetterlage einstellt.

Eine weitere Leuchterscheinung kann an der Oberfläche der Leiterseile von Hochspannungsfreileitungen entstehen. Durch die hohen elektrischen Feldstärken um den Leiter werden elektrische Entladungen hervorgerufen, die eine Ionisation der Luft (Zerteilung von Luftmolekülen) bewirken. Man nennt dieses Phänomen Koronaeffekt. Die Geräusche (Knistern, Prasseln, Rauschen und in besonderen Fällen ein tiefes Brummen), die fallweise bei regnerischem Wetter oder Nebel in der Nähe von Hochspannungsfreileitungen zu hören sind, gehen darauf zurück.

Die durch die Ionisation erzeugten Ozonmengen sind außerordentlich gering. Bei einer 380-kV-Leitung kann 4 m vom Leiterseil entfernt keine Konzentrationserhöhung mehr gemessen werden. Es gilt als erwiesen, dass die von den Hochspannungsfreileitungen erzeugten Ozonmengen, gemessen an der natürlichen Schwankung des Ozongehaltes der Luft, ohne jede Bedeutung sind. Hinsichtlich des Geräuschpegels ist der Koronaeffekt bei Freileitungen bis 110 kV kaum feststellbar, bei höheren Spannungen können durch die Verwendung von Bündelleitern der Koronaeffekt und gleichzeitig auch das Geräusch (Knistern) reduziert werden.