Statische Elektrizität: Hochspannung, aber wenig Energie

Ich habe mir ein Video einer Serie namens "The Mechanical Universe" angesehen, das am California Institute of Technology aufgenommen wurde, in dem das gesagt wurde

"Ein Van-der-Graaff-Generator mit einer Spannung von fast 100.000 Volt speichert nur eine Energiemenge von 2.000 Joule, während eine gewöhnliche Batterie von 9 Volt 20.000 Joule speichert".

Ich denke an Potential als Indikator für Energie, da es die potentielle Energie der Ladungseinheit an einem Punkt darstellt. (Ep=V*q). Wenn V steigt, steigt Ep. Was ist hier falsch? Darüber hinaus werden Hochspannungsmaschinen aus dem 18. Jahrhundert verwendet, um Elektrizität mit Experimenten zu lehren, bei denen der Strom Haare von Menschen sträubt. Warum erzeugt eine so hohe Spannung keinen gefährlichen Strom für den menschlichen Körper? Ich denke, dass der Strom ab einem bestimmten Spannungswert nur vom Widerstand abhängt. Warum diese Maschinen immer einen geringen Strom erzeugen. ¿Was ist das Geheimnis der statischen Elektrizität?

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Warum erzeugt eine so hohe Spannung keinen gefährlichen Strom für den menschlichen Körper? Ich denke, dass der Strom ab einem bestimmten Spannungswert nur vom Widerstand abhängt. Warum diese Maschinen immer einen geringen Strom erzeugen. Was ist das Geheimnis der statischen Elektrizität?

Zunächst einmal ist es keine Spannung, die einen gefährlichen Stromschlag (z. B. Kammerflimmern) verursacht. Es ist eine Kombination aus der Größe und Dauer des Stroms. Und während die von dem von Ihnen beschriebenen Van-de-Graaff-Generator gelieferte Spannung sehr hoch sein kann, dauert der Strom, den er an den Körper liefert, nur einen Augenblick. (Andererseits können Generatoren mit sehr hoher Energie gefährlich sein).

Der Van-de-Graaff-Generator ist im Grunde ein geladener Kondensator. Die im elektrischen Feld eines Kondensators gespeicherte Energie ist gegeben durch

E = 1 2 C v 2

Die zum Speichern von 2 J bei 100.000 Volt erforderliche Kapazität beträgt also 4 pF oder 4 x 10 − 12 F. Betrachten Sie nun den Strom, den der Generator an den Körper liefern kann. Gemäß IEC 60479-1 liegt die innere Körperimpedanz in der Größenordnung von 500 Ω von Hand zu Hand oder von Hand zu Fuß. Der Entladestrom, der von einem auf Spannung aufgeladenen Kondensator an einen Widerstand geliefert wird v als Funktion der Zeit ist

ich ( T ) = v R e T R C

Für 100.000 Volt und Körperwiderstand von 500 Ω wir haben.

ich ( T ) = 200 e T R C

In der Gleichung R C ist die Zeitkonstante oder die Zeit, die der Strom benötigt, um ungefähr 37 % seines Anfangswerts zu erreichen. In diesem Fall beträgt die Zeitkonstante 2 Nanosekunden oder 2 x 10 − 9 S

In 2 Nanosekunden fällt der Strom also auf 74 Ampere. In 50 Mikrosekunden fällt es auf 4 x 10 − 20 A. In 1 Mikrosekunde ist es so klein, dass ich einen Fehler auf meinem Taschenrechner erhalte.

Der Punkt ist, dass diese Kombinationen aus Strom und Zeit, obwohl sie erfasst werden können, weit unter den Grenzwerten für gefährliche elektrische Schläge gemäß IEC 60479-1 liegen.

Hoffe das hilft.

Sind Sie sicher, dass 500 Ohm und nicht Kilo-Ohm sind?
Ja, ich bin sicher. Wenn Sie es nicht glauben, lesen Sie IEC 6479-1, eine internationale Norm zu Elektroschocks, für das Körperimpedanzmodell
Der Hautwiderstand variiert je nach physiologischen Bedingungen stark und kann bis zu 200 KΩ betragen. Der Innenwiderstand ist sehr stabil, sobald Sie die Haut passiert haben, da das Elektrolytgleichgewicht den Innenwiderstand des vaskularisierten Gewebes bestimmt und der physiologische Bereich relativ klein ist. Da die IEC "Innenwiderstand" angibt, haben sie sich vermutlich für das Schockpotential im schlimmsten Fall entschieden, da sie sich auf Sicherheit konzentrieren.
@ScienceGeyser Die Körperimpedanz fällt mit erhöhter Spannung. Gemäß IEC-Tabelle 10 (meine Kopie von 2016) für Gleichstrom beträgt der Gesamtkörperwiderstand von Hand zu Hand bei 25 VDC für 5% der Personen 3875 Ohm und fällt bei 1000 VDC auf 575 Ohm ab. Grundsätzlich ist bei sehr hoher Spannung (das sind 100.000 VDC) oder bei sehr nasser Haut die Hautimpedanz kein Schutzfaktor mehr gegen Stromschläge, so dass ein Innenwiderstand übrig bleibt, der mit 500 Ohm modelliert wird.
@BobD Ich stimme zu. Kontext ist wichtig. Die molekulare Umordnung der Zellstruktur kann unterhalb von 100 V/cm beginnen, dauert aber einige Zeit. An diesem Punkt beginnt sich der Widerstand zu ändern und kann ziemlich schnell ziemlich niedrig werden, wenn eine ausreichend hohe Spannung angelegt wird. Dies bezieht sich auch auf die Antwort, die dahingehend gegeben wird, dass es einige Zeit dauert, diese molekularen Umlagerungen vorzunehmen, und schnelle Impulse (< uS) können viel höhere Spannungen aufweisen als langsame Impulse (> 8 mS für Wechselstrom) oder eine konstante Spannung von a Batterie, ohne die Gewebestruktur zu schädigen.

Ep=V*q

V ist riesig, aber q ist auf das beschränkt, was gespeichert wurde. In einer Batterie werden Ladungsträger während ihrer Lebensdauer als Folge der internen chemischen Reaktion produziert.

Aber wie auch immer, ob statische Elektrizität sicher ist oder nicht, hängt von der Menge der vorhandenen Ladung ab. Als extremes Beispiel entsteht ein Blitz durch Entladung zwischen Wolken oder zwischen Wolken und Erde und kann wirklich gefährlich sein.

Statische Elektrizität: Hochspannung, aber wenig Energie
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