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Funktionsprinzip

Wie kann man Blitzstrom messen? Wie entstehen Überspannungen? Wie gelangen Überspannungen in Ihre Geräte und Anlagen? Diese Fragen haben Sie sich vielleicht auch schon mal gestellt. Auf den folgenden Seiten werden Sie umfassend über den Bereich der Blitzstromerfassung informiert.

Aufbau der Messstrecke

Die Messstrecke besteht aus einem transparenten Medium (Dielektrikum), mit beidseitig angeordneten Polarisatoren oder Polfiltern. Die Messstrecke ist so angeordnet, dass sie zur Stromflussrichtung in der Ableitung einen Winkel von 90° einnimmt. So liegt die Ausbreitungsrichtung einer Lichtwelle in der Messstrecke parallel zum Magnetfeld des Stoßstromes in der Ableitung.

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Polarisatoren

Linear wirkender Polarisator  

Linear wirkender Polarisator

Polarisatoren bzw. Polfilter sind optische Elemente, die eine Polarisation bewirken. Dabei werden elektromagnetische Wellen durch Absorption oder Strahlenteilung in linear, elliptisches oder zirkulares polarisiertes Licht separiert. Zur Nutzung des Faraday Effektes wird in diesem Fall das Licht linear polarisiert. Das heißt nur linear polarisiertes Licht gelangt durch den Polfilter.

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Magnetische Beeinflussung der Polarisatiosebene

Magnetische Beeinflussung der Polarisatiosebene  

Magnetische Beeinflussung der Polarisatiosebene

Die Lichtwelle versetzt die Elektronen im Dielektrikum in Schwingungen. Das Magnetfeld verändert die Elektronenbewegung innerhalb des Dielektrikums. Dadurch wird die Polarisationsebene des Lichts beeinflusst. Die Polarisationsebene lässt sich prinzipiell in jede beliebige Richtung drehen.

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Magnetooptischer Effekt im LM-S

Das grafische Modell zeigt alle wesentlichen Elemente und Größen des magnetooptischen Effektes im Blitzmesssystem. Eine Lichtwelle Φ mit definierter Lichtstärke wird durch einen Lichtwellenleiter an die Messstrecke herangeführt.

Der Polfilter P1 am Eingang der Messstrecke polarisiert das zugeführte Licht linear. Die so polarisierte Lichtwelle versetzt die Elektronen im Medium in Schwingung und bewegt sich auf der Polarisationsebene durch das Medium der Messstrecke. Die Polarisationsebene lässt sich magnetisch beeinflussen.

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Das Magnetfeld eines Stoßstromes dreht die Polarisationsebene der Lichtwelle innerhalb des Mediums um die Längsachse. Die Drehrichtung ist abhängig von der Richtung der Magnetischen Feldlinien und damit von der Stromflussrichtung. Zum Beispiel erzeugen die Stoßströme aus negativen und positiven Blitzen unterschiedlich gerichtete magnetische Feldlinien.

Je größer der Strom I, umso stärker ist das Magnetfeld B und umso größer ist auch der Drehwinkel β. Das Magnetfeld B1 verursacht eine Rechtsdrehung und Magnetfeld B2 eine Linksdrehung der Lichtwelle.

Am Ausgang der Messstrecke ist der zweite lineare Polfilter P2 in einem Winkel von 45° zum Eingangspolfilter angeordnet. Dadurch treten von einer unbeeinflussten Lichtwelle nur 50% der Lichtmenge durch den Ausgangspolfilter. Abhängig von der Drehung der Lichtwelle lässt der Ausgangspolfilter mehr oder weniger Licht durch. So entsteht ein messbares und auswertbares Lichtsignal.

Messergebnis und Auswertung

Messergebnis und Auswertung  

Prinzipiendarstellung: Veränderung der Lichtmenge hinter dem Ausgangs-Polfilter

Ein positiver Blitz verursacht eine Rechtsdrehung des polarisierten Lichtsignals. Die Lichtmenge hinter dem zweiten Polfilter nimmt zu und beträgt zwischen 50 und 100 %. Wenn der Drehwinkel des Lichtsignals 45° erreicht, entspricht das dem 100%-Messwert eines positiven Blitzes.

Ein negativer Blitz verursacht eine Linksdrehung des polarisierten Lichtsignals. Die Lichtmenge hinter dem zweiten Polfilter nimmt ab und beträgt zwischen 50 und 0%. Wenn der Drehwinkel des Lichtsignals -45° erreicht, entspricht das dem 100%-Messwert eines negativen Blitzes.

Gemessen wird die Lichtmenge hinter dem Ausgangspolfilter. Aus dem zeitlichen Verlauf der Lichtmenge werden die typischen Parameter des erfassten Blitzstoßstromes abgeleitet. Das sind die maximale Stromstärke, Blitzstromsteilheit sowie Ladung und spezifische Energie.

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Einflussgrößen

Die wichtigsten Einflussgrößen sind das Material des Mediums, die Wellenlänge des Lichts, die Weglänge des Lichts durch das Medium so wie die Magnetische Feldstärke. Darüber hinaus sind im Folgenden weitere theoretische Grundlagen und Einflussgrößen erläutert. Klicken Sie auf die jeweiligen Überschriften, um mehr zu erfahren.

Der Elektrische Feldvektor E beschreibt den Verlauf und die Position der beeinflussten Lichtwelle. Er wird als Pfeil dargestellt (siehe grafisches Modell).

Als Dielektrikum wird jede elektrisch schwach- oder nichtleitende, nichtmetallische Substanz bezeichnet, deren Ladungsträger im Allgemeinen nicht frei beweglich sind. Es kann sich dabei um ein Gas, eine Flüssigkeit oder einen Feststoff handeln. Diese Substanzen sind typischerweise unmagnetisch und werden mit elektrischen oder elektromagnetischen Feldern beaufschlagt.

Die Verdet-Konstante V entspricht dem Drehvermögen pro Einheit der magnetischen Flussdichte. Sie beschreibt die Stärke des Faraday-Effektes für das zu bewertende Dielektrikum. Ihr Wert ist abhängig von der Wellenlänge elektromagnetischer Wellen im Medium.

Der Drehwinkel β, um den sich die Polarisationsebene dreht, berechnet sich nach:
 
                                                    β = V x d x B
 

d ist die Länge des Lichtweges durch das Medium, B die magnetische Flussdichte und V die Verdet-Konstante.

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