Natürliche elektrische Felder

Statische elektrische Felder und Kräfte entstehen durch räumliche Trennung elektrischer Ladungen, beispielsweise durch Reibung zwischen zwei isolierenden Materialien (Reibungselektrizität). Typische Beispiele sind das Aufladen von Kunststoffpullovern oder die Reibung zwischen Kleidung und Kunststoffbezug eines Autositzes, was beim Entladen einen spürbaren elektrischen Mikroschock verursachen kann. Natürliche Spannungunterschiede existieren auch zwischen verschiedenen Metallen und werden in Batterien zur Erzeugung von Gleichstrom genutzt. An der Erdoberfläche besteht ein permanentes elektrisches Feld, das sogenannte Schönwetterfeld, dessen Feldstärke je nach Tageszeit und Umgebung zwischen 100 und 300 V/m variiert. Dieses Feld wird auf den globalen atmosphärischen Stromkreis zurückgeführt, der zwischen Erdoberfläche und Ionosphäre in etwa 70-80 km Höhe zirkuliert. Gewitterwolken erzeugen die potentielle Differenz, indem sie Ladungen trennen und somit elektrische Spannung aufbauen; sie fungieren als atmosphärische Batterien. Im einfachsten Modell ist der obere Teil der Wolke positiv und der untere negativ geladen, wobei der genaue Mechanismus der Ladungstrennung noch umstritten ist. Mögliche Erklärungen umfassen Elektronenentzug bei fallenden hydrometeoren oder Ionenaustausch zwischen Graupelkörnern und Eiskristallen. Aufwinde durch Kondensationsenergie tragen zu diesen Prozessen bei. Die Spannung zwischen Gewitterwolke und Erde kann so groß werden, dass elektrostatische Entladungen in Form von Blitzen erfolgen, die Ladungsungleichgewichte ausgleichen. Ebenso regulieren Blitze die Ladung zwischen Wolken und der leitfähigen Ausgleichsschicht über ihnen, die eine insgesamt gleichmäßig positiv geladene Schicht bildet. Innerhalb von Gewitterwolken sind Blitze bis zu zehnmal häufiger als zum Erdboden. Gewitter finden vor allem in tropischen Regionen statt, während außerhalb dieser Zonen Ladungen über einen gleichmäßigen elektrischen Fluss durch Ionen und freie Elektronen ausgetauscht werden (mit einer vertikalen Geschwindigkeit von etwa 1 cm/s). Das Modell des globalen Stromkreises ist nicht abschließend gesichert; neben Gewittern könnten diffuse Ladungsströme auch durch fallende Aerosole zur Aufrechterhaltung der Spannung des Schönwetterfeldes beitragen. Die Ionosphäre entsteht durch Ionisation der Gasmoleküle in der Erdatmosphäre durch Sonnenstrahlung, insbesondere UV- und Röntgenstrahlung. Positive Ionen und freie Elektronen konzentrieren sich vor allem in 300-400 km Höhe, wo die Rekombinationsrate gering ist, was eine dauerhafte Ladung auch nachts ermöglicht. Diese Schicht reflektiert rund um die Uhr Kurzwellenstrahlung und ist somit die Basis für globale Funkkommunikation.