Felder der Erde

Gravitationsfeld

Die Erde erzeugt ein Gravitationsfeld, ein elektrisches Feld und ein Magnetfeld.

• Das Gravitationsfeld kann nicht abgeschirmt werden und nimmt mit dem Quadrat des Abstandes von der Erdmitte ab. Die Gravitatinsfeldstärke g zeigt gegen unten und hat an der Erdoberfläche eine Stärke von 9.81 N/kg.
• Das elektrische Feld wird durch Vorgänge in der Atmosphäre aufgebaut, ist normalerweise auch nach unten gerichtet und hat nahe der Erdoberfläche eine mittlere Stärke von 130 V/m (N/C).
• Verantwortlich für das Magnetfeld sind Strömungsvorgänge im Innern der Erde. Die Form des Erdmagnetfeldes gleicht in erster Näherung dem eines Stabmagneten (mit magnetischem Südpol im Erdnordpol). Das Magnetfeld verändert sich im Laufe der Jahre und kann sogar seine Polarität wechseln.

Nachfolgend wollen wir uns nur mit dem Gravitationsfeld und dem strukturgleichen elektrischen Feld befassen.

1. Wie viel (negative) Ladung muss sich auf der Erdoberfläche (Erdradius 6370 km) angesammelt haben, damit die Feldstärke im Mittel 130 V/m beträgt?
2. Die potentielle Energie eines Körpers ist gleich Gravitationspotenzial mal Masse bzw. elektrisches Potenzial mal Ladung. Das Gravitationspotenzial ist gleich Feldstärke mal Höhe (gh), wobei man das Potenzial zum Beispiel auf Meereshöhe gleich Null setzen kann. Das elektrische Potenzial ist analog dazu definiert. Wie gross ist das elektrische Potential auf einer Höhe von 50 m gegenüber der Erdoberfläche?
3. Die Ionisation der Atmosphäre nimmt mit der Höhe kräftig zu. Deshalb nimmt die elektrische Feldstärke ab (10 V/m bei 5 km, 4 V/m bei 10 km; 1 V/m bei 20 km). Welches Potenzial weist die Luftschicht auf 20 km Höhe gegenüber der Erdoberfläche auf?

Lösung