Elektrizität

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Elektrischer Strom und Widerstand

Elektrizität lässt sich besonders deutlich bei Entladungsprozessen beobachten. Diese kommen vor allem dann zustande, wenn sich zwischen zwei ungleich geladenen Körpern ein so starkes elektrisches Feld bildet, das schließlich einen schnellen Ladungsausgleich hervorruft. Den Ausgleich können z. B. zwischen den geladenen Körpern befindliche Luftmoleküle auslösen, die zum Teil ionisiert sind – beispielsweise durch Stöße untereinander. Diese Ionen werden im elektrischen Feld durch die Coulombkraft beschleunigt, stoßen mit großer Energie auf andere Luftmoleküle und ionisieren diese ihrerseits. Dieser lawinenartig ablaufende Vorgang entspricht beispielsweise dem Blitzschlag bei einem Gewitter. Der Vorgang lässt sich aber auch bei einem elektrischen Funkenschlag nach einem Gang über einen Kunststoffteppich an der Türklinke erfahren. Leuchtstoffröhren (siehe Neonröhre) arbeiten ebenfalls nach diesem Prinzip der Entladung durch Gasionen (siehe Gasentladung).

Der Ausgleich von Ladungsunterschieden ist mit einem Ladungstransport verbunden, dem elektrischen Strom. Elektrischer Strom ist per Definition die Anzahl von Ladungen, die pro Zeiteinheit durch einen Leiterquerschnitt fließen und wird in Ampere gemessen. Die potentielle Energie zwischen zwei unterschiedlich geladenen Körpern (so genannte Pole; Minuspol = Elektronenüberzahl, Pluspol = Elektronenunterzahl), also die Spannung, verursacht einen solchen Strom, der die Potentialdifferenz durch Ladungstransport abbaut. Das Bild gleicht einem Wasserfall, der von einem Berg ins Tal stürzt. Bei Batterien vollzieht sich der Ladungsausgleich im Lauf der Zeit: Der Ladungszustand der Batterie nimmt ab, sie wird „leer”. Für einen gleich bleibenden Strom muss dafür gesorgt werden, dass die Potentialdifferenz aufrechterhalten bleibt, dass also im Beispiel des Wasserfalles ständig Wasser nachfließt.

Verbindet man zwei unterschiedlich geladene Körper mit einem Stück Materie, dann gibt es je nach Beschaffenheit der Materie verschiedene Transporterscheinungen von Ladungen. Diese sind letztlich nur durch den atomistischen Aufbau der Materie physikalisch erklärbar (siehe Festkörperphysik).

Bei Leitern handelt es sich um Materialien, in denen sich Elektronen – Leitungselektronen – relativ frei bewegen können (z. B. in Metallen). Die Elektronen fließen vom negativ geladenen Pol zum positiv geladenen Pol, die Stromrichtung wird dabei aus historischen Gründen umgekehrt definiert. Die Elektronen fließen dabei nicht ganz frei, sondern „stoßen” mit Atomverbänden des Leiters zusammen, wodurch Reibung und damit Wärme entsteht. Praktische Beispiele aus dem Alltag sind warm werdende Glühbirnen oder auch elektrischen Heizplatten in Kochherden – in Letzteren bringt die Wärmeentwicklung die stromdurchflossene Wendel zum Glühen.

Physikalisch beschreibt man diese Reibung und den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung durch den elektrischen Widerstand. Die Symbole sind meistens U für Spannung, I für Strom, und R für Widerstand, gemessen in Ohm. Hierzu stellte der deutsche Physiker Georg Simon Ohm 1827 das nach ihm benannte Ohm’sche Gesetz auf. Es besagt, dass Spannung und Strom proportional sind:

U = I · R.

Eine fundamentale Ableitung dieses „phänomenologischen”, d. h. experimentell bestätigten Gesetzes aus den theoretischen Grundgesetzen des Elektromagnetismus steht noch aus.

Die in der elektrischen Ladungsleitung vorhandene Leistung P, die Energie pro Zeit, wird in Watt angegeben. Ihr Wert ist das Produkt aus Spannung und Strom: P = U · I. Mit dem Ohm’schen Gesetz ergibt sich für den Leistungsverlust in Wärme P_W = I² · R. Der Widerstand von einem Leiter wächst proportional mit seiner Länge. Bei den langen Überlandleitungen zum Transport elektrischer Energie muss dafür gesorgt werden, dass wenig Leistungsverluste stattfinden. Indem man die Spannung sehr hoch wählt, wird bei fester Leistung P der Strom klein, und damit bleiben auch die Wärmeverluste klein. Deswegen handelt es sich bei Überlandleitungen um Hochspannungsleitungen. Die Hochspannung erzeugt man durch Transformation, die unten besprochen wird.

In so genannten Nichtleitern oder Isolatoren können sich Elektronen nicht oder nur kaum bewegen (z. B. Gummi, Keramik). Diese Materialien haben einen enorm hohen elektrischen Widerstand.

Allgemein hängt der elektrische Widerstand von Materie von vielen Faktoren ab, sehr deutlich z. B. von der Temperatur. Erhöht man die Temperatur, wird die Wärmebewegung der Atome im Leiter stärker, wodurch sich auch die Kollisionsrate der Leitungselektronen mit den Atomen erhöht, und damit nimmt der Widerstand zu. Senkt man dagegen die Temperatur bis nahe an den absoluten Nullpunkt, kann der elektrische Widerstand bestimmter Materialien ganz verschwinden. Dieses Phänomen bezeichnen Forscher und Techniker als Supraleitung. Sie ist allerdings nur quantenmechanisch erklärbar.

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Elektrische Induktion und Wechselspannung

Ein elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld. Ein stromdurchflossener Leiter besitzt ein Magnetfeld, das in einem Feldlinienbild durch Kreise gegeben wird, die gemäß der „Rechten-Hand-Regel” orientiert sind: Der Daumen der rechten Hand zeige in Richtung des Stromes, die zur Faust geformten Finger weisen dann die Drehrichtung des kreislinigen Magnetfeldes. Magnetfelder verstärken sich wie elektrische Felder additiv. Das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule wird näherungsweise das eines Stabmagneten. Eine technische Anwendung davon sind Elektromagnete, die durch Abschalten und Anschalten von Strom regulierbar sind. Siehe auch Magnetismus

Ebenso erzeugt ein zeitlich sich veränderndes elektrisches Feld ein zeitlich sich veränderndes Magnetfeld und umgekehrt. Dabei wird jene elektrische Spannung, die sich aus der Änderung des Magnetfeldes ergibt, als Induktionsspannung bezeichnet. Sie ist so gerichtet, dass ein von ihr erzeugter Strom der zeitlichen Veränderung des Magnetfeldes entgegengesetzt ist, oder mit anderen Worten ausgedrückt: Bei schwächer werdendem Magnetfeld würde der Induktionsstrom so fließen, dass das Magnetfeld im Prinzip gestärkt wird. Siehe auch Induktion

Bei einer Leiterschleife – ein zu einem Kreis gebogener Leiter – ist der Durchsatz der Magnetfeldlinien von der Kreisfläche abhängig. Verändert sich die Fläche, entsteht eine Induktionsspannung. Bewegt man also eine Leiterspule in einem statischen Magnetfeld, so dass sich der magnetische Fluss ändert (z. B. durch Drehen), dann wird eine Spannung induziert. Dieses Prinzip kommt z. B. in Generatoren wie bei einem Dynamo am Fahrrad oder bei jeglichen Generatoren zur Stromerzeugung zum Einsatz. Auf der Umkehrung dieses Prinzips beruht der Elektromotor. Typischerweise ändert die Induktionsspannung in einem Generator ihr Vorzeichen, d. h., die Polarität ändert sich, der Strom fließt wechselweise von links nach rechts und umgekehrt. Man nennt dies Wechselspannung und Wechselstrom.

Spannungserzeugung im industriellen Maßstab ist demnach Erzeugung von Wechselspannung. Die idealisierte Wechselspannung folgt in der Zeit einer Sinuskurve. Die Überlagerung von drei solchen Spannungen ergeben den heute haushaltsüblichen Drehstrom oder Starkstrom, an dem z. B. Kochherde angeschlossen werden. Beim Drehstrom sind die drei Spannungen gegeneinander phasenverschoben, d. h., wenn die eine Spannung gerade ansteigt, sinkt die andere ab usw. Mit Hilfe so genannter Gleichrichter lässt sich Wechselspannung auch in Gleichspannung umwandeln. Wechselspannung hat neben ihrer leichten Erzeugbarkeit einen weiteren großen Vorteil: Sie lässt sich transformieren. Das Transformatorprinzip beruht auf dem Induktionsprinzip: Das Magnetfeld einer von Wechselstrom durchflossenen Spule wird z. B. durch einen Eisenstab in das Innere einer zweiten Spule geleitet. Dies gelingt z. B. mit einem Stab, der beide Spulen im Inneren durchsetzt. Das zeitlich sich verändernde Magnetfeld induziert in der zweiten Spule eine Induktionsspannung, die von der Anzahl der Windungen der Spule abhängt. Besitzt die zweite Spule weniger Windungen als die erste Spule, wird die Induktionsspannung größer, weil weniger vom Induktionsstrom durchflossene Windungen letztlich das gleiche Magnetfeld aufbauen müssen. Dabei bleibt auch die transformierte Leistung gleich, d. h., mit einer Erhöhung der Spannung fließt ein geringerer Strom. Diesen Effekt nutzt man z. B. bei den oben genannten Hochspannungsleitungen.

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Elektromagnetische Schwingungen, Kopplung an Materie

Ein Wechselstrom erzeugt ein wechselndes Magnetfeld, das wiederum ein wechselndes elektrisches Feld hervorruft, das wieder ein wechselndes Magnetfeld nach sich zieht usw. Genauer gesagt: Eine beschleunigte Ladung – sie muss beschleunigt sein – erzeugt derart sich abwechselnde elektrische und magnetische Felder, die nicht nur die nähere Umgebung der Ladung durchsetzen, sondern im Prinzip die ganze Welt. (Allerdings nimmt die Intensität der Strahlung rasch mit der Entfernung ab.) Darüber hinaus wird die Strahlung durch andere Ladungen zum Teil wieder aufgenommen. Diese gesamte schwingende Feldstruktur bezeichnen Physiker als elektromagnetische Schwingung oder elektromagnetische Welle. Alle elektronischen Sender und Empfänger arbeiten mit diesen Wellen. Radiowellen, Licht, Röntgen- und Gammastrahlen, alles sind elektromagnetische Schwingungen dieser Art und nur durch ihre Wellenlängen unterscheidbar. Die Wirkung von elektromagnetischen Feldern auf Materie – den „Empfänger” – lässt sich anhand der so genannten Lorentzkraft (siehe unten Geschichte) physikalisch beschreiben. Ein Teil dieser Kraft ist schon mit der Coulombkraft beschrieben; hinzu tritt jene Kraft, die ein Magnetfeld auf bewegte Ladungen ausübt. Es gibt also folgendes Wechselspiel: Materie erzeugt Felder und die Felder wirken auf die Materie zurück usw.

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Geschichte

Die ersten Untersuchungen über Elektrizität führte der englische Physiker William Gilbert 1600 durch. Da Gilbert diese Phänomene erstmals bei Reibungsexperimenten an Bernstein beobachten konnte, benutzte er als Erster den Ausdruck „elektrisch” (abgeleitet von griechisch élektron: Bernstein). Die erste Maschine zur Erzeugung von elektrischen Ladungen entwickelte 1672 der deutsche Physiker Otto von Guericke – die so genannte Elektrisiermaschine. Der französische Wissenschaftler Charles François de Cisternay Du Fay erklärte als Erster die beiden unterschiedlichen Arten elektrischer Ladung: positive und negative Ladung.

Den ersten Kondensator, die Leidener Flasche oder auch Kleist’sche Flasche, entwickelten 1745 der niederländische Physiker Pieter van Musschenbroek und der deutsche Physiker Ewald Georg von Kleist unabhängig voneinander. Sie bestand aus einer Glasflasche, die innen und außen getrennt mit Stanniolfolie überzogen war. Benjamin Franklin überzeugte 1752 die Fachwelt mit seinem berühmten Drachenexperiment als Blitzableiter, dass die atmosphärische Elektrizität im Prinzip identisch mit der elektrostatischen Ladung der Leidener Flasche ist.

Das Gesetz, dass sich die Kraft zwischen elektrischen Ladungen indirekt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen den Ladungen verhält, wurde durch den britischen Chemiker Joseph Priestley um 1766 experimentell bestätigt. Priestley wies auch nach, dass sich eine elektrische Ladung von selbst gleichförmig über die Oberfläche einer hohlen Metallkugel verteilt und dass innerhalb einer solchen Kugel keine Ladung und kein elektrisches Kraftfeld existiert. Hieraus ging später der Faraday’scher Käfig hervor.

Charles Augustin de Coulomb erfand 1777 eine Torsionswaage für die genaue Messung der von elektrischen Ladungen ausgeübten Kraft. Mit diesem Gerät bestätigte er die Beobachtungen von Priestley und zeigte, dass die Kraft zwischen zwei Ladungen auch proportional zum Produkt der einzelnen Ladungen ist. Die Theorie von den elektrischen Kraftlinien entstand im frühen 19. Jahrhundert und geht auf Michael Faraday zurück.

Die italienischen Physiker Luigi Galvani und Alessandro Volta führten die ersten bedeutenden Experimente mit elektrischen Strömen durch. Galvani erzeugte Muskelkontraktionen an Froschbeinen, indem er elektrischen Strom durch die präparierten Froschbeine fließen ließ. Volta stellte 1800 die erste künstliche elektrochemische Spannungsquelle, die Volta’sche Säule, der Fachwelt vor.

1819 konnte der dänische Wissenschaftler Hans Christian Ørsted das Magnetfeld um einen Strom durchflossenen Leiter experimentell nachweisen. Nur kurze Zeit später erfand André Marie Ampère die elektromagnetische Spule. Ampère begründete auch die Theorie über Molekularströme in Magneten. 1831 schloss Faraday auf das Induktionsgesetz. Um 1840 bewiesen James Prescott Joule und der deutsche Wissenschaftler Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, dass in elektrischen Stromkreisen das Gesetz der Energieerhaltung gilt und dass Elektrizität eine Energieform ist. Die zusammenfassende Theorie lieferte im 19. Jahrhundert der britische Wissenschaftler James Clerk Maxwell. Er legte das Fundament für eine Theorie der elektromagnetischen Wellen und deutete Licht als ein elektromagnetisches Phänomen.

Die experimentelle Bestätigung für Maxwells Theorie erbrachte der deutsche Physiker Heinrich Rudolf Hertz. Hertz erzeugte 1886 elektromagnetische Wellen und führte Experimente über die Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen durch. Schließlich dienten diese Erkenntnisse dem italienischen Ingenieur Guglielmo Marconi 1896 als Grundlage für die Entwicklung des ersten Funkgerätes.

Mit der Elektronentheorie führten der holländische Physiker Hendrik Antoon Lorentz und der deutsche Physiker Max Abraham Ende des 19. Jahrhunderts die Atomistik in die Elektrizitätslehre ein. Die Ladung des Elektrons wurde 1909 von dem amerikanischen Physiker Robert Andrews Millikan erstmals genau gemessen. Die Maxwell-Lorentz-Theorie des Elektromagnetismus ist verantwortlich für die Einführung der vierdimensionalen Raumzeit durch Albert Einstein im Jahr 1905 und für die Aufhebung des Begriffes der absoluten Gleichzeitigkeit. Siehe auch Relativitätstheorie

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Stand der Wissenschaft

Die klassische Theorie von elektromagnetischen Feldern und Materie wird physikalisch durch die Maxwell-Lorentz-Gleichungen beschrieben. Aus ihnen sollten alle elektrischen Erscheinungen erklärbar sein. Dies ist mit gewissem Vorbehalt auch in einem extrem hohen und befriedigenden Maß geschehen. Der Vorbehalt betrifft jedoch die zugrunde liegende Verbindung von Elektromagnetismus und Materie, d. h. die Verknüpfung von Feldern und Materie. Die Maxwell-Lorentz-Theorie ist mathematisch nur vernünftig, wenn das Elektron eine gewisse Ausdehnung hat, die allerdings weit über der beobachtbaren Ausdehnung liegt. Damit kann die Theorie am Ende nicht richtig sein. Eine noch fundamentalere und richtige Beschreibung sollte aus der Quantenelektrodynamik hervorgehen. Diese Theorie ist aber ebenfalls noch nicht vollständig entwickelt. Es bleibt bislang ungeklärt, was elektromagnetische Schwingungen nun „wirklich” sind, d. h., was Licht und schließlich auch Elektrizität im Sinne einer verständlichen umfassenden Theorie „wirklich” sind.