Elektrizität

Elektrizität (von griechisch ἤλεκτρον ēlektron „Bernstein“) ist der physikalische Oberbegriff für alle Phänomene, die ihre Ursache in ruhender oder bewegter elektrischer Ladung haben. Dies umfasst viele aus dem Alltag bekannte Phänomene wie Blitze oder die Kraftwirkung des Magnetismus. Der Begriff Elektrizität ist in der Naturwissenschaft nicht streng abgegrenzt, es werden aber bestimmte Eigenschaften zu dem Kernbereich der Elektrizität gezählt:

• Die elektrische Ladung. Sie ist eine Eigenschaft von bestimmten atomaren Teilchen wie den negativ geladenen Elektronen und den positiv geladene Protonen, welche als Ladungsträger bezeichnet werden, und wird in der Einheit Coulomb gemessen. Die Bezeichnung positiv bzw. negativ ist willkürlich gewählt. Wesentliche Eigenschaft ist, dass sich gleichnamige elektrische Ladungen abstoßen, während sich ungleiche Ladungen anziehen.
• Der elektrische Strom. Er beschreibt eine Bewegung von elektrischen Ladungsträgern und wird in der Einheit Ampere gemessen und ist unter anderem Ursache von magnetischen Feldern. Durch beschleunigte Bewegung elektrischer Ladungen werden elektromagnetische Felder erzeugt, welche im Bereich der Elektrodynamik beschrieben werden und sich unabhängig von elektrischen Leitern im Raum ausbreiten können.
• Außerdem zählen dazu Feldgrößen wie das elektrische Feld, welches Zustandsgrößen von elektrischen Ladungen im Raum beschreibt. Die damit verknüpfte elektrische Spannung, auch als elektrisches Potential bezeichnet, verknüpft die Energie mit der elektrischen Ladung im elektrischen Feld. Sie wird üblicherweise in der Einheit Volt gemessen.

Vorgänge, bei welchen keine zeitliche oder keine wesentliche zeitliche Änderung auftritt, werden der Elektrostatik zugeordnet. Vorgänge, bei welchen die zeitliche Änderung einen wesentlichen Einfluss hat, werden zur Elektrodynamik gezählt.

Blitze als eine Auswirkung von Elektrizität

Geschichte

Altgriechischer Naturphilosoph Thales

Phänomene zufolge 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 ^[1]. 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 enthalten 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.

Eine gezielte und praktische Anwendung der Elektrizität erfolgte erst am Beginn der Neuzeit. 1601 untersuchte der Brite William Gilbert systematisch die elektrische Aufladung an vielen Substanzen und führte die Bezeichnung „Electrica“ ein. Um 1660 entwickelte der Magdeburger Bürgermeister Otto von Guericke eine Elektrisiermaschine, die auf Reibungselektrizität basiert. Diese und ähnliche Elektrisiermaschinen dienten in den Folgejahrzehnten vor allem der gesellschaftlichen Belustigung.

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

1733 stellte Dufay 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 positive und negative elektrische Ladung ^[2] Der Amerikaner Benjamin Franklin findet um 1752 nach der schon bekannten Reibungselektrizität Zusammenhänge mit der atmosphärischen Elektrizität. Er erfindet den Blitzableiter und interpretiert das Phänomen als Pluspol und Minuspol.

Froschschenkel-Experiment, Versuchsanordnung

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

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

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

André-Marie Ampère, ein französischer Physiker, deutet und beschreibt um 1810 die Stärke des Magnetfeldausschlags in Abhängigkeit zur Stromstärke. Er erfindet das „Amperemeter“, die Theorie des elektrischen Telegraphen, erstmals angewandt von Carl 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. Um 1820 beobachtet Hans Christian Örsted die Ablenkung einer Magnetnadel durch Stromeinfluss.

Am Ende des 18. Jahrhunderts finden und beschreiben 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 formuliert den grundlegenden Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und elektrischer Spannung an linearen elektrischen Widerständen. Dieser Zusammenhang wird später als ohmsches Gesetz bekannt.

James Clerk Maxwell gilt als Begründer der klassischen Elektrodynamik

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

Mitte des 19. Jahrhundert, nachdem die notwendigen Gesetzmäßigkeiten bekannt sind, setzt eine breite Anwendung der Elektrizität ein. Diese technischen Anwendungen werden unter dem Begriff Elektrotechnik zusammengefasst. Beispiele sind die um 1844 von Samuel F. B. Morse erfundene Telegraphenlinie in Amerika, die im gleichen Jahr von Louis Joseph Deleuil installierte und erstmalige elektrische Beleuchtung eines öffentlichen Platzes, des Place de la Concorde in Paris, mit Bogenlicht und die 1866 von Werner von Siemens entwickelte elektrische Maschine.

1882 gelingt die erste Fernübertragung von elektrischer Energie über 57 km mit der Gleichstromfernübertragung Miesbach-München. Vier Jahre später begründet Nikola Tesla mit Hilfe seines Sponsor George Westinghouse die heute gebräuchliche elektrische Energieübertragung mittels Wechselstrom. 1891 gelingt die erste Fernübertragung von heute in der Energietechnik üblichen Dreiphasenwechselstrom mit der Drehstromübertragung Lauffen–Frankfurt über 176 km.

In den Folgejahren kommt es in der Elektrotechnik zu einer zunehmenden Spezialisierung. Während die nach wie vor eng mit dem Maschinenbau verbundene elektrische Energietechnik zu der Energieversorgung von Haushalten, Betrieben und Fabriken dient, verfolgt der Zweig der Nachrichtentechnik das Ziel, Information wie Nachrichten mit geringen zeitlichen Verzögerung über weite Distanzen zu übertragen. Um 1895 führt Guglielmo Marconi in Bologna erste Funkversuche durch. Er baut hierbei auf den Entdeckungen von Heinrich Hertz, Alexander Stepanowitsch Popow und Édouard Branly auf. Ein Jahr später gelingt Popow auf funktechnischem Wege die Übertragung der Worte „Heinrich Hertz“ während einer Demonstration vor der Russischen Physikalischen Gesellschaft.

Das 20. Jahrhundert ist durch eine starke Erweiterung des Theoriegebäudes gekennzeichnet. Die klassische Elektrodynamik von Maxwell wird im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie zur relativistischen Elektrodynamik erweitert. Mitte des 20. Jahrhundert erfolgt, insbesondere durch Arbeiten des amerikanischen Physikers Richard Feynman, die Erweiterung zu der Quantenelektrodynamik.

In der technischen Anwendung wird 1897 von Ferdinand Braun die Kathodenstrahlröhre entwickelt, welche die Grundlage der ersten Fernsehapparate darstellt. 1911 beobachtet der Niederländer Heike Kamerlingh Onnes als erster Mensch den Effekt der Supraleitung. Mitte des 20. Jahrhunderts entwickeln Walter H. Brattain, John Bardeen und William Shockley den Transistor, der in den Folgejahren die Grundlage der ersten integrierten Schaltungen und der Computertechnik ist.

Elektrizität im Alltag

Im heutigen Alltag ist Elektrizität im Sinne von elektrischer Energie unentbehrlich, was dem Menschen meistens erst durch Ausfälle von Versorgungsnetzen wieder bewusst wird. Allerdings haben 1,4 Mrd. Menschen weltweit keinen Zugang zu elektrischer Energie.^[3] Die Erzeugung dieses Energieträgers erfolgt fast immer in Kraftwerken, die Verteilung erfolgt flächendeckend durch Unternehmen der Stromnetze (siehe Elektrizität/Tabellen und Grafiken). Seit über einem Jahrhundert bestimmen Anwendungen von Elektrizität, wie elektrisches Licht, Wärme und Kraft mehr und mehr das menschliche Leben. Eine wesentliche Bedeutung nimmt die Elektrizität im Bereich der Kommunikationstechnologie und Informationstechnologie ein.

Elektrizität in natürlicher Form tritt neben Blitzen auch weniger spektakulär in Form einer Informationsübertragung in Nervensystemen von Lebewesen auf. Dabei treten nur sehr kleine Spannungen auf. Elektrizität hat je nach Stärke auch unterschiedliche Auswirkungen auf den menschlichen Körper. Für Stromunfälle ist die Stärke und die Einwirkdauer des elektrischen Stromes auf den menschlichen Körper wesentlich. Elektrische Ströme ab zirka 30 mA können gefährlich sein und Atemlähmungen und Herzstillstand verursachen. Elektrischer Strom wird auch eingesetzt, um Menschen gezielt zu töten, wie dieses etwa mit dem elektrischen Stuhl geschieht.

Elektrizität von Festkörpern

Siehe auch: Magnetismus von Festkörpern

Festkörper, die keine oder nur geringe elektrische Leitfähigkeit besitzen, werden nach ihrem Verhalten in elektrischen und magnetischen Feldern eingeordnet. Ursache des unterschiedlichen Verhaltens der Materie in einem Feld ist das Vorhandensein bzw. Nicht-Vorhandensein von entsprechenden Dipolen und deren Verhalten. Dies wird durch die Verwendung der entsprechenden Vorsilbe für beide Felder äquivalent beschrieben (vgl. Magnetismus von Festkörpern). Es bedeutet dabei:^[4]

Elektrikum	Erklärung
Dielektrikum	In dielektrischen Materialien liegen keine elektrischen Dipole vor. Es können allerdings durch externe elektrische Felder entsprechende Dipole induziert werden. Anders als bei diamagnetischen Materialien sind die Dipole in dielektrischen Materialien in Richtung des elektrischen Feldes orientiert (elektrische Permittivität εr > 1). Diese Dipole existieren nur solange sich das Material in einem elektrischen Feld befindet. Jede Form von Materie - egal ob fest, flüssig oder gasförmig - ist dielektrisch.
Paraelektrikum	Liegen in der Materie orientierbare Dipole vor, die jedoch keine stabile langreichweitige Ordnung ausbilden, werden diese Stoffe als Paraelektrikum bezeichnet. Darüber hinaus werden sie durch ein extern angelegtes elektrisches Feld in Feldrichtung ausgerichtet. Die dabei entstehende Polarisation verschwindet, wenn das Feld abgeschaltet wird. Es gilt auch hier: εr > 1. Die elektrische Permittivität ist im Unterschied zum dielektrischen Fall temperaturabhängig. Somit können beide Effekte unterschieden werden. Flüssigkeiten und Gase können auch paraelektrisch sein.
Ferroelektrikum	In einem Ferroelektrikum liegen alle Dipole parallel zueinander. Nimmt man ein Ferroelektrikum aus einem elektrischen Feld, so verbleibt eine elektrische Polarisation. Ferroelektrika gehören auch zur Gruppe der Piezoelektrika.
Antiferroelektrikum	In einem Antiferroelektrikum sind die Dipole in zwei Untergitter gegenseitig antiparallel ausgerichtet. Das heißt, die Polarisation der Untergitter ist betragsgleich aber entgegengesetzt orientiert. Daher haben Antiferroelektrika außerhalb eines elektrischen Feldes keine Polarisation.
Ferrielektrikum	In einem Ferrielektrikum liegen ähnliche Verhältnisse wie in einem Antiferroelektrikum vor, das heißt, die Dipole sind ebenfalls in zwei Untergitter gegenseitig antiparallel ausgerichtet. Im Unterschied zum Antiferroelektrikum sind die jeweiligen Polarisationen aber nicht betragsgleich. Daher besitzen sie wie Ferroelektrika eine Polarisation, wenn man sie aus einem elektrischen Feld herausnimmt.

Mit den Vorsilben Ferro- Ferri- und Antiferro- werden unterschiedliche Formen einer langreichweitigen Ordnung von Dipolen bezeichnet. Die Bereiche gleicher Ordnung werden Domänen genannt. Sie entsprechen den weissschen Bezirken im Magnetismus. Alle diese Materialien sind Festkörper, von denen viele eine paraelektrische Hochtemperaturphase besitzen. Die Ausrichtung der Dipole kann durch ein ausreichend starkes äußeres Feld umgekehrt werden. Dies führt zu einer Hysterese. Die einzelnen Formen kann man durch die Art der Hysterese unterscheiden.

Bedeutung

Naturwissenschaften

Die verschiedenen Phänomene der Elektrizität sind Betrachtungsgegenstände in Teilen der Physik und der Chemie:

• Elektrostatik beschäftigt sich mit ruhenden elektrischen Ladungen, Ladungsverteilungen und elektrischen Feldern geladener Körper.
• Klassische Elektrodynamik beschäftigt sich mit zeitlich konstanten magnetischen Feldern, sich zeitlich ändernden elektrischen und magnetischen Feldern und elektromagnetischen Wellen.
• Quantenelektrodynamik stellt eine Erweiterung der klassischen Elektrodynamik um die quantenfeldtheoretische Beschreibung des Elektromagnetismus dar.
• Festkörperphysik beschreibt unter anderem das Verhalten elektrischer Ladungen in festen Stoffen wie elektrischen Leitern, Halbleitern und Nichtleitern, sowie Thermo-, Pyro- und Piezoelektrizität.
• Elektrochemie beschreibt den Zusammenhang zwischen elektrischen und chemischen Vorgängen wie sie bei Batterien und Akkumulatoren vorkommen.

Ingenieurwissenschaften

Die Elektrotechnik bezeichnet denjenigen Bereich der Ingenieurwissenschaft und Technik, der sich mit allen Aspekten der Elektrizität befasst. Das Spektrum reicht von der elektrischen Energietechnik wie der Stromerzeugung, über die Regelungs-, Steuerungs- und Messtechnik bis zur Nachrichtentechnik und der Automatisierungstechnik als ein Studiengang der Elektrotechnik. Das theoretische Fundament bildet die theoretische Elektrotechnik.

Die große Bedeutung der elektrischen Energie liegt darin, dass sie in Hochspannungsleitung transportiert werden kann und sich einfach in andere Energiearten wie mechanische Arbeit, Wärme, Licht oder Schall umwandeln lässt. Elektrische Energie kann allerdings nur schlecht gespeichert werden und muss dazu in andere Energieträger wie in Form chemischer Energie bei Akkumulatoren oder in potentielle Energie wie bei Pumpspeicherkraftwerken umgewandelt werden.

Literatur

• D.J.W. Sjobbema: Geschichte der Elektronik. Elektor-Verlag, Aachen 1999, ISBN 3-89576-066-8.
• Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme - Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Springer Verlag, Heidelberg 2006, ISBN 3-540-29664-6.

Einzelnachweise

1. ↑ Peter Moller: BioScience, Review: Electric Fish. Ausgabe 11, Volume 41, Dezember 1991, S. 794–796, DOI:10.2307/1311732.
2. ↑ Max Le Blanc: Lehrbuch der Elektrochemie, Verlag Oskar Leiner, Leipzig 1922, S. 33 ff.
3. ↑ Arm an Energie. In: Süddeutsche Zeitung. 23. September 2010, S. 16
4. ↑ Dieter Meschede, Christian Gerthsen: Gerthsen Physik. Springer, 2010, ISBN 9783642128936, S. 403–411.

Weblinks

•  Wiktionary: Elektrizität – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen