Natur und Technik für den Pflichtschulabschluss: Elektrizität

Einführung

Elektrische Ladung an den Haaren!

Der einfachste Beweis der elektrischen Ladung

Was ist eine elektrische Ladung? Wie bei vielen anderen Sachen in Physik (wie z. B. bei der Masse), kann man nicht genau sagen, was eine Ladung ist. Man kann allerdings ziemlich genau die Wirkungen einer elektrischen Ladung beschreiben. Wir wissen, dass es elektrische Ladungen gibt, weil wir ihre Wirkungen beobachten können. Es gibt ein ganz einfaches Experiment, um diese Wirkungen zu beobachten. Man kann einen Kunststoff-Kugelschreiber oder einen Luftballon an Wolle oder an die Haare reiben. Man stellt dann fest, dass der Kugelschreiber oder der Luftballon kleine Papierteile anziehen kann. Man sagt, dass der Kugelschreiber oder der Luftballon elektrisch geladen sind.

Wenn man einen elektrischen Zaun anfasst, spürt man ein Muskelzucken. Das ist noch eine Wirkung der Elektrizität, die uns eindeutig zeigt, dass die Funktion der Muskel mit der Elektrizität zu tun hat. Tatsächlich spielt die Elektrizität bei vielen Funktionen nicht nur der Muskeln, sondern von jeder Zelle, eine entscheidende Rolle. Die Wirkungen der Elektrizität sind unterschiedlich und erst relativ spät wurde den Wissenschaftlern bewusst, dass hinter all diesen Phänomenen die gleiche Ursache steckt. Die folgende kurze Zeitreise beschreibt uns die Erforschung der Elektrizität.

Geschichte

Zitteraal (elektr. Fisch)

Bernsteinkette

Phänomene der Elektrizität sind schon lange bekannt, das wohl bekannteste und spektakulärste Auftreten ist in der Meteorologie der Blitz. Das Auftreten des elektrischen Schocks, den bestimmte Fische wie der Zitterrochen oder Zitteraal zum Beutefang einsetzen, war im alten Ägypten um 2750 v. Chr. bekannt. In der Antike war den alten Griechen bereits die elektrostatische Aufladung des Bernsteins bekannt, der von ihnen als elektron bezeichnet wurde. Diese Erkenntnis wird dem Naturphilosophen Thales von Milet zugeschrieben, der sich um 600 v. Chr. mit elektrostatischen Aufladungen beschäftigte.

Im 1. Jahrhundert v. Chr. wurden parthische Tongefäße in der Nähe von Bagdad verwendet, die 1936 von Wilhelm König gefunden wurden und auch als Bagdad-Batterie bekannt sind. Diese Gefäße enthielten einen Eisenstab und einen Kupferzylinder, der mit Asphalt abgedichtet war. Versuche des Roemer- und Pelizaeus-Museums in Hildesheim zeigten, dass mit dieser Anordnung und Traubensaft als Elektrolyt eine Spannung von 0,5 V erreicht werden konnte. Die Verwendung als eine Art Batterie ist umstritten.

Der "elektrische Kuss": eine Anwendung einer Elektrisiermachine zur gesellschaftlichen Belustigung

B. Franklin erfand den Blitzableiter

Eine gezielte und praktische Anwendung der Elektrizität erfolgte erst am Beginn der Neuzeit. Der Brite William Gilbert untersuchte systematisch die elektrische Aufladung an vielen Substanzen mit Hilfe des Versoriums und führte die Bezeichnung „Electrica“ ein (veröffentlicht 1600). Um 1663 entwickelte der Magdeburger Bürgermeister Otto von Guericke eine drehbare Schwefelkugel, die mit der Hand gerieben die kosmischen Wirkkräfte (virtutes mundanae) nachweisen sollte. Gezielt zum Erforschen elektrischer Wirkungen entwickelte Francis Hauksbee 1706 eine Reibungselektrisiermaschine, deren Kugel nicht mehr aus Schwefel, sondern aus Glas gebaut war. Diese und ähnliche Elektrisiermaschinen dienten in den Folgejahrzehnten vor allem der gesellschaftlichen Belustigung.

1733 stellte der französische Naturforscher Charles du Fay fest, dass es zwei entgegengesetzte Formen der elektrischen Ladung gibt, die er zunächst als Harz- und Glaselektrizität bezeichnete. Diese Feststellung war die Basis für die Bezeichnung als negative bzw. postitive elektrische Ladung.

Der niederländische Physiker Pieter van Musschenbroek erfand 1745 – unabhängig von, und ein Jahr nach Ewald Jürgen Georg von Kleist – die Leidener Flasche, die in Deutschland auch als „Kleistsche Flasche“ bekannt ist. Die Leidener Flasche gilt als der erste Kondensator zur Speicherung von elektrischen Spannungen.

Um 1752 fand der Amerikaner Benjamin Franklin nach der schon bekannten Reibungselektrizität Zusammenhänge mit der atmosphärischen Elektrizität. Er erfand den Blitzableiter und interpretierte das Phänomen als Pluspol und Minuspol.

Voltasche Säule die erste Batterie der Neuzeit

Luigi Galvani Experiment

Blitzerzeugung mit einer Elektrisiermaschine (Video)

Der italienische Mediziner Luigi Galvani beobachtete um 1770 mit einer Elektrisiermaschine an Froschschenkeln Zuckungen eines toten Frosches. So wurde bekannt, dass Elektrizität auch Bewegungen auslösen kann. „Tierische“ Elektrizität an Froschschenkeln ist übertragene elektrochemische Energie und Grundlage der Elektrochemie.

1775 erfand der italienische Physiker Alessandro Volta das Elektrophor, ein Gerät zur Ladungstrennung mit Hilfe der Influenz. Fünf Jahre später entwickelte er die Voltasche Säule, die aus den Metallen Kupfer und Zink und einem Elektrolyt besteht. Diese Batterie ermöglichte erstmals die Stromerzeugung ohne Reibung, nur aus gespeicherter chemischer Energie. Die Voltasche Säule wurde für viele Jahre die wichtigste Apparatur zur Gleichstromerzeugung.

Am Ende des 18. Jahrhunderts fanden und beschrieben Charles Augustin de Coulomb, Joseph Priestley, Henry Cavendish und John Robison unabhängig voneinander das Gesetz zur Beschreibung der Kraft zwischen zwei elektrischen Ladungen, das als Coulomb-Gesetz bekannt ist. Der deutsche Physiker Georg Simon Ohm formulierte den grundlegenden Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und elektrischer Spannung an linearen elektrischen Widerständen. Dieser Zusammenhang wird später als ohmsches Gesetz bekannt.

Um 1810 erzeugte der Chemiker Humphry Davy zwischen zwei Kohlestiften, die mit einer Batterie als Stromversorger verbunden waren, einen Lichtbogen und schuf damit die Grundlagen für die Kohlebogenlampe.

Amperemeter

Morse telegraph

Um 1820 beobachtete Hans Christian Ørsted die Ablenkung einer Magnetnadel durch Stromeinfluss. André-Marie Ampère, ein französischer Physiker, deutete und beschrieb darauf aufbauend die Stärke des Magnetfeldausschlags in Abhängigkeit zur Stromstärke. Er erfand das „Amperemeter“, die Theorie des elektrischen Telegrafen, erstmals angewandt von Karl Friedrich Gauß und Wilhelm Eduard Weber, und den Elektromagneten. Er ist Begründer der Theorie vom Elektromagnetismus und Namensgeber der physikalischen Einheit des elektrischen Stromes Ampere.

Der britische Physiker Michael Faraday gilt als einer der Begründer der Elektrodynamik. Er formulierte erstmals das Induktionsgesetz und beschäftigte sich in weiteren Arbeiten mit den Gesetzen der Elektrolyse. Er schuf so die Grundlagen zur Erfindung der Telegraphie. Der schottische Physiker James Clerk Maxwell konzipierte 1864 die grundlegende Theorie der klassischen Elektrodynamik in Form der Maxwell-Gleichungen und verband damit Effekte ruhender und bewegter Ladungen sowie deren Felder zur Beschreibung elektromagnetischer Phänomene. Aus diesen Gesetzmäßigkeiten folgerte er die Existenz der elektromagnetischen Wellen. Er identifizierte das Licht als eine Erscheinungsform von elektromagnetischen Wellen.

Ab 1830, nachdem die notwendigen Gesetzmäßigkeiten bekannt waren, setzte eine breite Anwendung der Elektrizität ein. Diese technischen Anwendungen werden unter dem Begriff Elektrotechnik zusammengefasst. Seit 1831 experimentierten mehrere Forscher damit, den Elektromagnetismus für elektrische Antriebe und zur elektromechanischen Stromerzeugung zu nutzen. Diese gelang 1832 unabhängig voneinander dem Franzosen Hippolyte Pixii und dem Italiener Salvatore Dal Negro. 1834 meldete der US-Amerikaner Thomas Davenport ein Patent für eine elektrische Lokomotive an. Samuel F. B. Morse baute 1833 den ersten brauchbaren Schreibtelegrafen. Mit der von ihm eingerichteten Telegrafenlinie von Washington nach Baltimore und dem von einem seiner Mitarbeiter entwickelten Morsealphabet begann 1844 das Zeitalter der elektrischen Kommunikation – und damit der Gleichzeitigkeit. In den Jahren 1843/1844 gelang Henri Adolphe Archereau und Louis-Joseph Deleuil mit Kohlebogenlampen auf der Place de la Concorde in Paris erstmals die elektrische Beleuchtung eines öffentlichen Platzes.

Die Stromerzeugung (und damit ebenso die Möglichkeit des elektrischen Antriebs) mit einer elektrischen Maschine ohne Permanentmagnet gelang 1851 dem Slowaken Ányos Jedlik. 1866 brachte sie Werner von Siemens zur Serienreife.

1882 wurde erstmals eine elektrische Energieversorgung über eine große Entfernung installiert, mit der 57 km langen Gleichstromleitung Miesbach–München. 1886 begründete Nikola Tesla mit Hilfe seines Sponsors George Westinghouse die heute gebräuchliche elektrische Energieübertragung mittels Wechselstroms. 1891 gelang die erste Fernübertragung von heute in der Energietechnik üblichen Dreiphasenwechselstrom mit der Drehstromübertragung Lauffen–Frankfurt über 176 km.

Elektrische Ladung und elektrischer Strom

Definitionen

Spannung entsteht zwischen zwei Stellen wenn sie unterschiedlich geladen sind. Im Bild hat die Stelle E keine Ladung. Spannung gibt es zwischen E und A, B, C bzw. D, aber auch zwischen A und B (unterschiedlich positv geladen) oder A und C (A positiv und c negativ). Allerdings gibt es keine Spannung zwischen C und D (gleich negativ geladen)

Die elektrische Ladung ist nur durch ihre Wirkungen definierbar. Beispielsweise können wir einen Luftballon auf unsere Haare reiben und damit die Haaren hochziehen. Wird einmal die Ladung durch ihre Wirkungen definiert, ist die Definition der restlichen Begriffen in Elektrizität einfacher:

Elektrischer Strom ist die Bewegung von elektrischen Ladungen. (Das Wort Strom bedeutet ja „Bewegung“, wie im Wort „Wasserstrom“)
Spannung ist die Ursache dieser Bewegung. Eine elektrische Spannung entsteht zwischen zwei (nah liegenden) Objekten, wenn sie unterschiedlich geladen sind.
Elektrischer Widerstand ist alles, was gegen die Bewegung der elektrischen Ladungen wirkt.

Es gibt zwei Arten von Ladungen. Sie wurden positiv und negativ genannt. Die Ladungen selber haben allerdings nichts Positives oder Negatives an sich. Sie wurden einfach zufällig so genannt. Wenn wir die Atomstruktur untersuchen, stellen wir fest, dass es eine positive Grundladung gibt, das Proton, und eine negative, das Elektron. Normalerweise sind Atome elektrisch neutral. Wenn ein Atom oder allgemein ein Stoff mehr Protonen als Elektronen hat, dann ist das Atom oder der Stoff positiv geladen, wenn die Protonen weniger sind (also die Elektronen mehr) dann negativ geladen. Gleichnamige Ladungen (z. B. zwei positive Ladungen) stoßen einander ab, nicht gleichnamige Ladungen (also eine positive und eine negative) ziehen einander an.

Das ohmsche Gesetz

Das ohmsche Gesetz beschreibt die Verhältnisse zwischen Stromstärke, Spannung und Widerstand in bestimmten Materialien:

$I={U \over R}$

Ι ist die Stromstärke (in Ampere, A), U die Spannung (in Volt, V) und R der Widerstand (in Ohm, Ω)

Die Spannung ist die Ursache des Stroms. Je größer sie ist, desto stärker ist der Strom. Das macht schon Sinn und wird genauso an der Formel abgelesen. Der Widerstand wirkt gegen den Strom. Je größer der Widerstand ist, desto weniger wird die Stärke des Stroms sein. Das macht auch Sinn und wird ebenso an der Formel abgelesen.

Leiter, Halbleiter, Isolator

Isolator und Leiter

Links: Glas ist bis ca. 600°C ein Isolator.
Rechts: Kupferkabel: ein elektrischer Leiter.
Der Kunststoff herum ist allerdings ein Isolator.

Silizium (Si), der meist benutzte Halbleiter
Silizium wird für Konstruktion von Mikroprozessoren benutzt

	Blitzerzeugung mit einer Elektrisiermaschine (Video) Isolatoren, wie die Luft, werden unter bestimmten Bedingungen doch zu Leitern (hier bei höherer Spannung).

Ein elektrischer Leiter ist jedes Material, in dem die Bewegung von irgendwelchen Ladungen fast ohne Hindernisse stattfinden kann. Das sind vor allem Metalle und salzige Wasserlösungen. Elektrische Leiter sind beim Transport vom elektrischen Strom wichtig (als Kabeln). Bei Metallen steigt der elektrische Widerstand mit steigenden Temperatur. Die Bewegung ist aber doch nicht ohne Hindernisse. Daher wird in elektrischen Leitern elektrische Energie zu Wärmeenergie umgewandelt und bei Glühbirnen zum Licht.

Ein Isolator ist jedes Material, in dem die Bewegung von Ladungen gar nicht stattfinden kann. Die meisten Materialien sind Isolatoren, wie das Holz, der Kunststoff oder die trockene Luft. Manche Isolatoren (vor allem Kunststoff und Keramik) sind auch beim Transport vom elektrischen Strom wichtig. Ein Kabel muss isoliert sein, damit die Gefahr eines Stromschlags reduziert wird. Allerdings funktionieren alle diese Materialien nicht mehr als Isolatoren, wenn z. B. die Spannung sehr hoch ist.

Halbleiter sind Materialien, die sich mal als Isolatoren und mal als Leiter verhalten. Halbleiter sind in der Elektronik (z. B. als Mikroprozessoren, Dioden, Trioden, Solarzellen) extrem wichtig. Viele Gegenstände unserer modernen Zeit, wie der Computer, das Handy usw., wurden dank Halbleitern erfunden. Bei Halbleitern fällt der elektrische Widerstand mit steigenden Temperatur.

Generator

Prinzip der Funktion eines Generators

Der Generator ist das Herz vieler Einrichtungen, die Strom erzeugen (Kraftwerke, Fahrraddynamo usw.). Der erste Schritt zur Erfindung des Generators war die Beobachtung von Hans Christian Ørsted um 1820. Eine Kompassnadel (Magnetnadel), die neben einem Kabel war, wurde durch Stromeinfluss abgelenkt. André-Marie Ampère hat eine Formel entwickelt, um zu berechnen, wie Stark die Ablenkung in Abhängigkeit von der Stromstärke ist. Die Idee das Experiment umzukehren war dann ein kleinerer Schritt. Tatsächlich haben die Forscher entdeckt, dass Strom erzeugt werden kann, wenn ein Kabel sich innerhalb eines Magnetfelds bewegt.

Ein Generator besteht aus einer drehbaren Spule, die sich innerhalb des Magnetfeldes eines festen Magneten befindet (eine Spule ist ein zusammengerolltes Kabel). Wenn die Spule zu drehen anfängt, sammeln sich die Elektronen an einem Rand des Kabels der Spule und am anderen Rand bleiben positive Ladungen. Dadurch entsteht eine elektrische Spannung. Wenn man die beiden Enden der Spule mit einem externen Kabel verbindet, dann bewegen sich die Elektronen in diesem Kabel, um die Ladungen auf beiden Seiten auszugleichen. Es entsteht also elektrischer Strom.

Fast in allen Kraftwerken werden Turbinen eingesetzt. Die Turbinen werden durch Wasser, Wasserdampf oder Wind in Drehbewegung gesetzt. Die Drehbewegung wird zu einem Generator weitergeleitet und ist für seine Funktion notwendig. In einem Generator wird die Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Allgemein bewegen sich die Ladungen in einem Generator mal in einer und mal in die Gegenrichtung. Dadurch entsteht der sogenannte Wechselstrom. Allerdings kann man auch Strom produzieren, der sich nur in einer Richtung bewegt, der sogenannte Gleichstrom.

Die Lorentzkraft

Fadenstrahlrohr

Wenn wir ein Kabel innerhalb eines Magnetfeldes in einer bestimmte Richtung bewegen, dann sammeln sich die negativen Ladungen (also die beweglichen Elektronen) an einem Rand des Kabels und am anderen Rand bleibt ein Überschuss an (nicht beweglichen) Protonen. Allgemeiner wird auf eine Ladung (positive oder negative und auch außerhalb eines Kabels) eine Kraft (Lorentzkraft genannt) ausgeübt, wenn die Ladung sich innerhalb eines Magnetfeldes bewegt. Wie es immer wieder in Physik der Fall ist, wissen wir nicht warum das so ist. Wir haben einfach das Phänomen beobachtet, quantifiziert und in der Technik angewandt.

Die Lorentzkraft kann man auch mit Hilfe eines Fadenstrahlrohrs beobachten. In diesem Experiment werden Elektronen beschleunigt und bewegen sich dann innerhalb eines Magnetfeldes, dessen "Feldlinien" senkrecht zu ihrer Bewegung ist. Die Elektronen fangen an, sich wegen der Lorentzkraft in Kreis zu bewegen. Sie stoßen dabei die Teilchen des Gases im Rohr. Diese senden dann Licht aus, ähnlich wie bei einem Blitz. Da die Elektronen sich ständig bewegen, dauert aber das Licht nicht nur einen Moment, wie bei einem Blitz, sondern solang die Elektronen sich bewegen. Dadurch kann man einen Lichtkreis im Gas sehen (lila Lichtkreis im Bild). Je stärker das Magnetfeld ist, desto größer wird die Kraft und kleiner der Kreis.

Kraftwerke

Ein Kraftwerk ist eine technische Anlage zur Stromerzeugung. Einfacher gesagt: Ein Kraftwerk ist der Ort, wo elektrischer Strom produziert wird. Es gibt Windkraftanlagen, Wasserkraftwerke, Verbrennungskraftwerke, Atomkraftwerke, Solaranlagen … Fast bei allen Kraftwerken wird mechanische Energie (also die Energie der Bewegung) mit Hilfe von Turbinen und Generatoren in elektrische Energie umgewandelt. Ausnahme: die Solarzellen (Photovoltaik).

Kraftwerkstypen	Funktionsprinzip Wasserkraftwerk
	Wasserturbine mit Generator

In Windkraftanlagen und Wasserkraftwerken wird die mechanische Energie (also die Energie der Bewegung) des Windes direkt an den Generatoren und des Wassers direkt an die Turbinen weitergeleitet. Der Wind bzw. das Wasser setzt die Generatoren direkt in Drehung.

In den Verbrennungskraftwerken wird zunächst chemische Energie (Energie gespeichert in chemischen Verbindungen) in thermische Energie (also Wärme) umgewandelt: Vor allem Erdöl und Kohle werden verbrannt und dadurch wird Wasser erhitzt. Danach verdampft das Wasser und dadurch entsteht hoher Druck, der die Turbinen und dadurch auch die Generatoren in Drehung setzt. Das funktioniert wie ein Schnellkochtopf. Wenn der Druck hoch ist, wird Dampf aus dem Ventil ausgelassen. Dadurch setzt sich das Ventil in Drehbewegung. Genauso werden die Turbinen in Drehung gesetzt.

In den Kernenergiekraftwerken (Atomkraftwerken) wird Kernenergie (Atomenergie) in Wärmeenergie (thermische Energie) umgewandelt. Wasser wird wieder erhitzt. Danach verdampft das Wasser und dadurch entsteht hoher Druck, der die Turbinen und dadurch auch die Generatoren in Drehung setzt (wie in den Verbrennungskraftwerken).

In all diesen Fällen (Wind-, Wasser-, Verbrennungs- und Atomenergie) wird mit Hilfe von Generatoren die Bewegungsenergie zur elektrischen Energie umgewandelt. In den Solarzellen wird die Lichtenergie der Sonne direkt mit Hilfe von Halbleitern in elektrische Energie umgewandelt.

Funktionsprinzip Verbrennungskraftwerk

Die Gefahren des Stroms

Warnzeichen nach ISO: Warnung vor elektrischer Spannung

Das heutige Leben ist ohne Strom unvorstellbar. Ein unvorsichtiger Umgang mit dem Strom ist allerdings gefährlich und kann sogar tödlich sein. Das hängt mit den Wirkungen des elektrischen Stroms auf den menschlichen Körper zusammen, die desto stärker sind, je stärker der Strom ist.

Jede Zelle funktioniert mit Strom (wenn auch schwachem). Wenn elektrischer Strom durch unseren Körper (z. B. bei einem Unfall) fließt, wird daher die Funktion von jeder Zelle betroffen. Vor allem Muskeln werden bei einem Stromunfall beeinflusst und zucken zusammen. Insbesondere der Herzmuskel kann unter Umständen seinen Rhythmus verlieren und das kann tödlich sein.

Eine andere Wirkung des Stroms ist die Erzeugung von Wärme. Fassen wir eine Glühbirne oder eine Herdplatte an, führt das zu einer Verbrennung. Die Glühbirne und die Herdplatte werden mit Hilfe des elektrischen Stroms erhitzt. Genauso ist es mit dem menschlichen Körper. Er kann durch den Strom erhitzt werden und das kann zu Verbrennungen führen. Aus diesen Gründen sollten wir mit dem elektrischen Strom vorsichtig umgehen. Hier ist eine Liste mancher Sachen, auf die wir aufpassen sollen:

Niemals Gegenstände in eine Steckdose stecken oder direkt greifen.
Niemals Leitungen mit beschädigter oder keiner Isolierung angreifen.
Beim Steckerziehen oder einstecken nur seine Kunststoffteile anfassen.
Keine elektrische Geräte in der Nähe der Stelle, wo es geduscht oder gebadet wird.
Hochspannungsleitungen vermeiden, besonders beim Drachensteigen.
Bei Gewitter Schutz in einem Haus oder (noch besser) in einem Auto suchen (Faradayscher Käfig) und nicht unter einem Baum.