Elektrizität

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Einleitung

Elektrizität, Begriff aus der physikalischen Theorie des Elektromagnetismus, die u. a. das Verhalten von Ladungen beschreibt.

Nach dieser Theorie gibt es geladene und ungeladene Materie. Die Ladung setzt sich aus kleinsten Einheiten, nämlich der Ladung eines Elektrons, zusammen. Sie ist unveränderbar und für alle Elektronen gleich. Den experimentellen Nachweis für diese Tatsache lieferte 1909 der amerikanische Physiker Robert Millikan anhand seiner Öltröpfchenexperimente mit einem Schwebekondensator – Millikan erhielt hierfür 1923 den Physiknobelpreis. Die Ladung wird in Coulomb angegeben (siehe unten Geschichte). Die Erklärung für die diskreten Ladungseinheiten liefert die atomistische Theorie der Materie, nach der Materie aus Atomen aufgebaut ist. Die Atome selbst setzen sich aus Atomkernen und den sich darum befindenden Atomhüllen zusammen, in denen sich die Elektronen aufhalten. Die Elektronen sind negativ geladen. Die Atomkerne, selbst aus Neutronen und Protonen bestehend, sind positiv geladen, weil die Ladung des Protons im Vergleich zur Ladung des Elektrons das genau entgegengesetzte Vorzeichen trägt und Neutronen keine Ladung besitzen. Als Ganzes sind Atome ungeladen (neutral), weil die Anzahl von Elektronen und Protonen in ihnen gleich ist. Fehlt einem Atom ein Elektron oder gar mehrere Elektronen, so liegt ein ionisiertes Atom bzw. Ion vor. Eine genauere Erklärung der Verhältnisse ist Gegenstand der Quantenphysik und bisher noch nicht vollendet.

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Elektrische Ladungen und Coulombkraft

Durch Verlust oder Anreicherung von Elektronen entsteht positiv oder negativ geladene Materie. Das kann z. B. durch mechanisches Reiben verursacht werden. Hierzu ein Beispiel aus dem Alltag: Beim Kämmen von frisch gewaschenen (und deswegen leichten und fettfreien) Haaren können Elektronen vom Kamm von den Haaren „abgestreift” werden. Die Folge sind aufrecht stehende Haare, die regelrecht am Kamm „kleben”, sowie ein Knistern beim Kämmen. Diese Erscheinung beruht auf einer elektrostatischen Aufladung. Die physikalische Erklärung für dieses Phänomen bietet das Coulomb’sche Gesetz, das Grundgesetz der Elektrostatik, mit dem sich die Kräfte zwischen Ladungen beschreiben lassen (siehe unten Geschichte). Bezeichnet man die Ladungen zweier sich im Abstand r voneinander entfernter Körper mit Q₁ und Q₂, dann gilt für die Kraft F zwischen ihnen

F = (-¼ p ε0) (Q1 · Q2/r2).

Die Konstante ε₀ wird als Dielektrizitätskonstante des Vakuums oder auch als absolute Dielektrizitätskonstante bezeichnet. Sie steht in enger Verbindung mit der Lichtgeschwindigkeit. Haben die Ladungen entgegengesetztes Vorzeichen, also z. B. wenn Q₁ negativ und Q₂ positiv ist, so ziehen sie sich an. Bei gleichem Vorzeichen stoßen sie sich ab. In dem Beispiel mit den gekämmten Haaren stoßen sich die allseits positiv geladenen Haare voneinander ab. Haare und Kamm ziehen sich dagegen an.

Entfernen sich die Ladungen voneinander, wird die Kraft, die zwischen ihnen wirkt, sehr schnell kleiner. Zudem neutralisieren sich entgegengesetzte Ladungen. Dies führt dazu, dass elektrische Wechselwirkungen – anders als die Massenanziehung der Gravitation – nicht ständig zu erfahren ist. Geladene Körper werden entweder durch Berührung mit anderen geladenen Körpern oder durch „Abstreifen” von Ladungen erzeugt – Physiker sprechen von einem Ladungstransport.

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Elektrisches Feld

Die elektrische Kraft hat der britische Physiker Michael Faraday im frühen 19. Jahrhundert mit so genannten Feldlinien gedeutet und damit den Begriff des elektrischen Feldes eingeführt. Diese Feldlinien muss man sich rein gedanklich vorstellen; sie sind nicht materieller Natur. In der Sprache des elektrischen Feldes erzeugt ein geladener Körper ein elektrisches Feld (sein Coulombfeld), und dieses Feld übt eine Kraft auf einen anderen geladenen Körper aus. Letzterer hat aber auch sein Coulombfeld und wirkt entsprechend auf den ersten Körper. Elektrische Felder können nur durch ihre Wirkung auf geladene Materie gemessen werden. Da aber jede Ladung selbst ein Feld besitzt, wird das zu messende Feld durch die Ladungen, auf die es wirken soll verändert. Elektrische Felder addieren sich in ihrer Stärke, wobei das Feldlinienbild kompliziert wird. Daher achten Forscher bei ihren Experimenten darauf, dass die verwendeten Probeladungen, mit denen sie elektrische Felder untersuchen, möglichst klein sind.

Bringt man Materie in das Feld zweier unterschiedlich geladener Körper (z. B. eines Plattenkondensators), dann ergibt sich in der Materie eine Ausrichtung der Atome in Form von Dipolen: Die positiv geladenen Atomkerne und die negativ geladenen Elektronen bevorzugen eine Stellung, in der der Atomkern dem negativ geladenen Körper näher kommt, während die Elektronen die Nähe des positiv geladenen Körpers bevorzugen. (Eine derartige Konstellation von Ladungen nennt man Dipol.) Der dahinter stehende physikalische Effekt wird als Polarisation und die polarisierte Materie als Dielektrikum bezeichnet. Befinden sich in einem Material frei bewegliche Ladungsträger, wie es bei so genannten Leitern (z. B. Kupfer) der Fall ist, werden diese Ladungen durch ein elektrisches Feld getrennt. Dieser Vorgang wird in der Physik als Influenz bezeichnet. Durch Influenz lassen sich mit geladenen Körpern ohne Berührung geladene Körper herstellen, indem man die durch Influenz entstandene Ladungstrennung in einem Stück Materie (z. B. zwei zusammengehaltene Metallplatten) durch eine nachträgliche mechanische Trennung der Materie sichert. Die Platten werden hierzu im Feld voneinander getrennt, so dass die Platte, die dem positiv geladenen Körper am nächsten war, einen Elektronenüberschuss aufweist, also negativ geladen ist. Die andere Platte ist dann positiv geladen. Ebenso beruht die Wirkung eines Faraday’schen Käfigs auf dem Phänomen der Influenz. Sie bewirkt, dass das Innere eines von einem Leitermantel umgebenen Hohlraumes feldfrei bleibt. Aus diesem Grund ist man bei Gewitter bestens in einem Auto aufgehoben.

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Elektrische Spannung

Um einen geladenen Körper von einem Punkt im Feld zu einem anderen Punkt zu bewegen, muss Arbeit verrichtet werden. Die dazu benötigte Energiemenge wird als Potentialdifferenz zwischen diesen beiden Punkten bezeichnet. Diese Differenz, geteilt durch den Wert der transportierten Ladung, ergibt die elektrische Spannung U, üblicherweise in Volt angegeben (siehe unten Geschichte). Die Erde stellt praktisch einen enorm großen Leiter dar, wobei ein Zufluss von Ladungen auf ihr nicht spürbar ist. Sie wird allgemein als das Bezugsniveau null für potentielle Energie verwendet. So gibt man das Potential eines positiv geladenen Körpers als eine bestimmte Anzahl von Volt gegenüber dem Potential der Erde und das Potential eines negativ geladenen Körpers als eine entsprechende Voltanzahl unterhalb des Erdpotentials an.