Elektrizitätslehre

Warnung vor gefährlicher elektrischer Spannung

Elektrizität (von griechisch ἤλεκτρον ēlektron „Bernstein“) ist der Oberbegriff für alle Phänomene, die ihre Ursache entweder in ruhender elektrischer Ladung oder bewegter Ladung (Ströme) sowie deren elektrischen und magnetischen Feldern haben. Mittels Elektrizität wird elektrische Energie gewandelt. Die Träger der elektrischen Ladung sind negativ geladene Elektronen und Anionen und positiv geladene Protonen und Kationen. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen ziehen einander an. Die Kraft, die auf Ladungen gleichen Vorzeichens wirkt, wird als Abstoßung bezeichnet, die Kraft auf Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen als Anziehung. Wegen der Wechselwirkungskräfte kommt der Elektrizität auch eine Bedeutung als Energieträger zu. Elektrische Ladungen sind die Quellen des elektrischen Feldes, bewegte Ladungen die Ursache für magnetische Felder.

Elektromagnetische Wellen (wie z. B. Licht) sind Erregungen des elektromagnetischen Feldes und können sich nach Entstehung unabhängig von Ladungsträgern im Raum (als Photonen) ausbreiten, d. h. fortbewegen, sie wechselwirken aber auch mit Materie.

Bewegung elektrischer Ladung findet in elektrischen Leitern durch Bewegung freier Elektronen und in Flüssigkeiten durch Ionenbewegung statt. Bei den Festkörpern unterscheidet man zwischen Leitern, Nichtleitern und Halbleitern.

Elektrische Phänomene in der Natur

Blitze waren die erste Erfahrung der Menschen mit Elektrizität

Das wohl bekannteste und spektakulärste natürliche Auftreten von Elektrizität ist der Blitz. Mit einem Blitz entladen sich hohe, durch Reibung in den Gewitterwolken aufgebaute elektrostatische Ladungen (Reibungselektrizität). Im Verlauf einer solchen Entladung werden sowohl positive wie auch negative Ladungen bewegt.

Aber Elektrizität tritt auch in weniger spektakulärer Form auf. So beruht z. B. die Informationsverarbeitung im Nervensystem von Lebewesen zum Teil auf elektrischen Signalen.

Verschiedene Fische (z. B. der Zitterrochen und der Zitteraal) können hohe elektrische Spannungen aufbauen, um sich damit zu verteidigen bzw. ihre Beute zu lähmen. Umgekehrt gelingt es ihnen durch Wahrnehmung elektrischer Signale, die durch die Muskelbewegungen der Fische ausgelöst werden, ihre Beute zu orten.

Elektrizität im Alltag

Spannung, Strom und Zeit miteinander multipliziert ergeben bei ohmschen Lasten die elektrische Energie: $W = U \cdot I \cdot t$. Elektrizität ist von der vorhandenen elektrischen Energie abhängig, wobei die Auswirkungen von Elektrizität mit steigender Energie ebenfalls steigen können:

• Piezoelektrische Zünder, zum Beispiel für Feuerzeuge oder Gasherde, erzeugen hohe Spannungen (zirka 2000 Volt), sind jedoch wegen der geringen Stromstärke und der geringen Zeit des Stromflusses nahezu unschädlich. Kurzzeitige Stromstöße mit einer Stromstärke von bis zu mehreren Ampere sind für den Menschen in der Regel nicht lebensbedrohlich, können aber durchaus Verletzungen hervorrufen.
• Eine Autobatterie liefert eine Spannung von ungefähr 12 Volt. Sie kann Ströme von über 100 Ampere erzeugen, wenn der Belastungswiderstand klein ist. Der menschliche Körper hat in der Regel jedoch einen so großen elektrischen Widerstand, dass Spannungen bis 40 Volt ungefährlich sind.
• Die Netzsteckdose liefert bei einer Wechselspannung von 230 Volt einen dauerhaften Strom von bis zu 16 Ampere, was lebensgefährlich ist.

Im heutigen Alltag ist Elektrizität im Sinne von elektrischer Energie unentbehrlich, was dem Menschen meistens erst durch Ausfälle von Versorgungsnetzen wieder bewusst wird. Die Erzeugung dieses Energieträgers erfolgt fast immer in Kraftwerken, die Verteilung erfolgt flächendeckend durch Unternehmen der Energieversorgung. Seit über einem Jahrhundert bestimmen Anwendungen von Elektrizität, wie Licht, Wärme und Kraft mehr und mehr das menschliche Leben. Eine ständig wachsende Bedeutung erlangt heute elektrische Energie in der Kommunikations- und Informationstechnologie.

Elektrizität hat je nach Stärke unterschiedliche Auswirkungen auf den menschlichen Körper. Entscheidend für die Auswirkung ist die Stärke der Durchströmung in der Maßeinheit A (Ampere) und die Zeitdauer des Stromflusses. Geringe Durchströmungen werden beispielsweise zur Förderung von Heilungsprozessen in der Elektrotherapie eingesetzt oder als Impulsgeber für das Herz (Herzschrittmacher). Starke und anhaltende Durchströmungen, insbesondere bei Wechselstrom, ab zirka 30 Milliampere können gefährliche Ströme darstellen und tödlich wirken. Die Elektroschockpistole beispielsweise gibt mehrfach starke elektrische Impulse an das Opfer ab und verursacht schmerzhafte, nicht kontrollierbare Muskelkontraktionen. Bei empfindlichen Personen können Atemlähmungen und Herzstillstand auftreten. Derartige Durchströmungen werden auch eingesetzt, um Menschen gezielt zu töten, wie dieses auch mit dem elektrischen Stuhl geschieht.

Elektroantriebe werden im Alltag in den unterschiedlichsten Gebieten eingesetzt. Ob im Lüfter eines Computers, zum Kühlen des Motors im Auto oder zum Herunterlassen der Jalousien und Rollläden im Haus. Ihren Einsatzgebieten sind keine Grenzen gesetzt.

Behandlung in den Naturwissenschaften

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

• Elektrostatik: ruhende elektrische Ladungen, Ladungsverteilungen und elektrische Felder geladener Körper
• Elektrodynamik: elektromagnetische Wellen, elektrische und magnetische Felder, Potentiale und Dynamik elektrisch geladener Teilchen und Objekte
• Quantenelektrodynamik: quantenfeldtheoretische Beschreibung des Elektromagnetismus
• Festkörperphysik: Verhalten elektrischer Ladungen in Leitern, Halbleitern und Nichtleiter, sowie Thermo-, Pyro- und Piezoelektrizität
• Elektrochemie: Zusammenhang zwischen elektrischen und chemischen Vorgängen

Behandlung in den Ingenieurwissenschaften

Die Elektrotechnik bezeichnet denjenigen Bereich der Ingenieurwissenschaft und Technik, der sich mit allen Aspekten der Elektrizität befasst. Hierzu gehören die elektrische Energieerzeugung, die Energieübertragung sowie alle Arten ihrer Nutzung. Dieses reicht von den elektrisch betriebenen Maschinen über alle Arten elektrischer Schaltungen für die Steuer-, Mess-, Regelungs- und Computertechnik bis hin zur Nachrichtentechnik und Automatisierungstechnik.

Elektrische Energie

Die elektrische Energie W berechnet sich als das Produkt aus elektrischer Spannung U, Stromstärke I und Zeitdauer t.

$W = U \cdot I \cdot t = U \cdot Q$

Gewinnung elektrischer Energie

(Siehe dazu eigenständigen Artikel Stromerzeugung). Bei der Gewinnung oder auch Erzeugung elektrischer Energie werden verschiedene der oben beschriebenen Phänomene genutzt, die nachfolgend entsprechend ihrer Bedeutung geordnet sind:

• Der weitaus größte Anteil (mehr als 99,9 %) des weltweiten (elektrischen) Energiebedarfs wird durch Generatoren in Kraftwerken erzeugt. Dabei kommen unterschiedliche Energiequellen wie Kohle oder Uran zum Einsatz. Die verwendeten Generatoren sind vom Grundprinzip her identisch. Sie nutzen die elektrodynamische Induktion zur Ladungstrennung und damit zur Spannungserzeugung.

• In Batterien, Akkumulatoren und Brennstoffzellen wird elektrische Energie aus chemischen Reaktionen gewonnen.

• Die vergleichsweise junge Technologie der Photovoltaik nutzt mit Solarzellen den photoelektrischen Effekt.

• Im magnetohydrodynamischen Generator (MHD-Generator) wird schnell strömendes ionisiertes Gas aus einem Verbrennungsprozess durch ein transversales Magnetfeld in positive und negative Teilchen getrennt (Lorentzkraft) und durch Elektroden aufgefangen.

Zwei exotische Methoden:

• In Thermoelektrischen Generatoren (z. B. Isotopenbatterien) wird elektrische Energie mit Thermoelementen direkt aus Wärmeenergie gewonnen.

• Im Thermoionischen Generator emittiert eine heiße Metallfläche durch Glühemission Elektronen im Vakuum, die von einer Elektrode in geringem Abstand aufgefangen werden.

Transport elektrischer Energie

Der Transport elektrischer Energie geschieht in den meisten Fällen durch die Bewegung von Elektronen in Festkörpern. Es werden dazu Leitungen aus Materialien mit einem geringen spezifischen Widerstand (meistens Metalle) verwendet. Kupfer und Silber gehören zu den besten Leitern, teilweise wird auch Aluminium wegen des geringeren Gewichtes verwendet. Durch den elektrischen Widerstand der Leitungen entstehen Leitungsverluste (Energieverluste) die umso höher sind, je höher die Stromstärke und je länger und dünner die Transportleitung ist. Bei höheren Spannungen kann die gleiche Energiemenge bei geringeren Stromstärken mit dünneren Drähten übertragen werden.

Die unvermeidbaren Verluste beim Transport können durch Verwendung von hohen Spannungen reduziert werden. Elektrische Hochspannungsleitungen werden z. B. mit Wechselspannungen im Bereich von 10 kV bis 380 kV betrieben. Zur Veränderung von Wechselspannungen werden Netztransformatoren eingesetzt. Da die Energie, die häufig in Kraftwerken erzeugt wird, teilweise recht weit von den Verbrauchern erzeugt wird, hat der Energietransport einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad des Gesamtsystems.

In Festkörpern können sich nur die negativ geladenen Elektronen bewegen, die positiv geladenen Atomrümpfe verharren an ihren Plätzen. Die Erwärmung einer Leitung bewirkt einen höheren Widerstand, da die Atomrümpfe des leitenden Materials in Schwingungen geraten und die Bewegung der Elektronen behindert. Bei so genannten Supraleitern werden die elektrischen Leiter auf sehr niedrige Temperaturen gebracht, wodurch der Restwiderstand auf 0 Ohm sinkt. Dann kann der Strom ungehindert fließen.

Bedeutung

Die große Bedeutung der elektrischen Energie liegt darin, dass sie mit außerordentlich geringem Gefahrenpotential im Vergleich mit anderen Energieträgern wie Erdgas transportiert und verwendet werden kann. So sind beispielsweise „Gassteckdosen“ für gelegentliche Verbraucher sowohl in Industriebetrieben als auch Privathäusern unvorstellbar.

Es gibt keine andere Energieart, die sich so einfach, vielfältig und verlustarm in andere Energiearten wie mechanische Arbeit, Wärme, Licht oder Schall umwandeln lässt. Ein ungelöstes Problem ist die Speicherung großer Mengen elektrischer Energie. Das funktioniert bisher nur über verlustbehaftete Umwege wie beispielsweise Pumpspeicherkraftwerke oder chemische Umwandlungen in Akkumulatoren, das auch nur in geringen Mengen (siehe Energiespeicher).

Historische Daten

• Schon in der Antike war den alten Griechen bereits die elektrostatische Aufladung des Bernsteins bekannt, der von ihnen als elektron bezeichnet wurde. Diese Erkenntnis wird Thales von Milet zugeschrieben.
• 1. Jahrhundert v. Chr: Ein parthisches Tongefäß aus der Nähe von Bagdad, das 1936 von Dr. Wilhelm König gefunden wurde, enthält 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. Sie könnte zum galvanischen Vergolden verwendet worden sein.

• 1601: William Gilbert untersucht die elektrische Aufladung an vielen Substanzen und führt die Bezeichnung „Electrica“ ein.
• 1663?: Der Magdeburger Bürgermeister Otto von Guericke entwickelt die (Reibungs-)Elektrisiermaschine.
• 1672: Gottfried Wilhelm von Leibniz entdeckt elektrische Funken durch Reiben (Aufladen) einer kindskopfgroßen Schwefelkugel.
• 1745: Der niederländische Physiker Pieter van Musschenbroek (* 1692 in Leiden), erfindet – unabhängig von, und ein Jahr nach Ewald Jürgen Georg von Kleist – die Leidener Flasche (in Deutschland auch „Kleistsche Flasche“), den ersten Kondensator.
• 1752: Der Amerikaner Benjamin Franklin erfindet den Blitzableiter und interpretiert das Phänomen Pluspol und Minuspol.
• 1770: Der italienische Mediziner Luigi Galvani, beobachtet „tierische“ Elektrizität an Froschschenkeln (elektrochemische Energie).
• 1775: Der italienische Physiker Alessandro Volta erfindet das Elektrophor.
• André Marie Ampère (1775–1836), französischer Physiker, 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.
• Ende des 18. Jahrhunderts: Charles Augustin de Coulomb, Joseph Priestley, Henry Cavendish und John Robison finden unabhängig voneinander das Gesetz zur Beschreibung der Kraft zwischen zwei elektrischen Ladungen (Coulomb-Gesetz).
• Georg Simon Ohm (1789–1854), deutscher Physiker, formuliert den grundlegenden Zusammenhang zwischen elektrischer Stromstärke und Spannung; siehe ohmsches Gesetz).
• Michael Faraday (1791–1867), britischer Physiker, Begründer der Elektrodynamik (Induktionsgesetze), formulierte u. a. auch die Gesetze der Elektrolyse und ermöglichte so die Erfindung der Telegraphie.
• James Prescott Joule (1818–1889), britischer Physiker, beobachtet und formuliert die Gesetzmäßigkeiten der Wärmeerzeugung durch stromdurchflossene Leiter.
• 1800: Alessandro Volta erfindet die Voltasche Säule.
• 1810–1812: Der Chemiker Humphry Davy erzeugt zwischen zwei Kohlestiften, die mit einer Batterie als Stromversorger verbunden waren, einen Lichtbogen und schaffte damit die Grundlagen für die Kohlebogenlampe.
• Der schottische Physiker James Clerk Maxwell (1831–1879) konzipiert die bis heute grundlegende Theorie der Elektrizität und des Magnetismus ruhender und bewegter Ladungen und Felder. Er stellte die Maxwell-Gleichungen zur Beschreibung elektromagnetischer Phänomene auf, die in leicht abgeänderter Form bis heute gültig sind. Aus Ihnen folgerte er die Existenz der elektromagnetischen Wellen. Er identifiziert das Licht als eine Erscheinungsform derartiger Wellen.
• 1820: Hans Christian Ørsted (1777–1851) erkennt den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus
• 1833: Carl Friedrich Gauß und Wilhelm Eduard Weber senden in Göttingen das erste Telegramm über eine 8000 Fuß lange Telegraphenleitung. Der Text soll „Michelmann kommt“ gewesen sein.
• 1842 Julius Robert von Mayer (1814-1878) stellte fest, dass sich die Bewegungsenergie vollständig in Wärme umwandeln lässt.
• 1844 nimmt Samuel F. B. Morse die erste Telegraphenlinie Amerikas in Betrieb.
• 1844 installiert Louis Joseph Deleuil erstmals die Beleuchtung eines öffentlichen Platzes, des Place de la Concorde in Paris, mit Bogenlicht.
• 1847 Hermann von Helmholtz (1821-1894) formuliert den Energieerhaltungssatz endgültig aus.
• 1860 entwickelt der Belgier Zénobe Theophile Gramme eine Maschine zur Stromgewinnung.
• 1866 entwickelt Werner von Siemens den Dynamo.
• 1877 erfindet Thomas Alva Edison den mechanischen, noch nicht elektrischen Phonographen, er verbessert unter anderem auch das Telefon und macht die elektrische Glühlampe anwendungstauglich, was zu einer Revolution der Straßenbeleuchtung und damit zur erstmaligen Erstellung größerer Stromnetze führt (gleichzeitig in Europa: Zénobe Gramme und Werner von Siemens).
• 1882 gelingt die erste Fernübertragung von Elektrizität über 57 km mit der Gleichstromfernübertragung Miesbach-München.
• 1884: Heinrich Hertz erzeugt erstmals experimentell elektromagnetische Wellen
• 1886: Nikola Tesla begründet durch seinen Sponsor Westinghouse die heute gebräuchliche elektrische Energieübertragung mittels Wechselstrom.
• 1888: Heinrich Hertz (1857–1894) erzeugt elektromagnetische Wellen und weist diese in Experimenten nach.
• 1891 gelingt die erste Fernübertragung von hochgespanntem Drehstrom mit der Drehstromübertragung Lauffen-Frankfurt über 176 km.
• 1895: Guglielmo Marconi (1874–1937) führt in Bologna Funkversuche durch. Er baut hierbei auf den Entdeckungen von Hertz, Popow und Branly auf.
• 1896: Alexander Stepanowitsch Popow (1859–1905) gelingt auf funktechnischem Wege die Übertragung der Worte „Heinrich Hertz“ während einer Demonstration vor der Russischen Physikalischen Gesellschaft.
• 1897: Ferdinand Braun (1850–1918) erfindet die später nach ihm benannte Braunsche Röhre .
• 1911: Der Niederländer Heike Kamerlingh Onnes beobachtet als erster Mensch den Effekt der Supraleitung
• 1948: Walter H. Brattain, John Bardeen und William Shockley entwickeln den Transistor.

Physikalische Größen

• Ladung Q mit [Q] = C (Coulomb)

$Q = I \cdot t$

Die kleinste elektrische Ladung ist die Elementarladung e (Naturkonstante), die Ladung eines Elektrons. Sie beträgt ca. 1,602·10^-19 C. Die nicht frei beobachtbaren Quarks haben noch kleinere, drittelzahlige Ladungen von $\tfrac{1}{3}e, \tfrac{2}{3}e$.

• • Ladungsdichte
    • Linienladungsdichte λ mit [λ] = C/m
    • Flächenladungsdichte σ mit [σ] = C/m²
    • Raumladungsdichte ρ mit [ρ] = C/m³

• Stromstärke I mit [I] = A (Ampere) beziehungsweise C/s

Ein Ampere ist die Stärke eines konstanten Stromes, der durch zwei parallele, geradlinige, unendlich lange und im Vakuum im Abstand von einem Meter voneinander angeordnete Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern pro Meter Leiterlänge die Kraft von 2·10⁻⁷ Newton hervorruft.

• • Stromdichte J mit $[J] = \tfrac{\mathrm{A}}{\mathrm{m}^2}$

• Spannung U mit [U] = V (Volt)

$U = R \cdot I = \frac{W}{Q} = \frac{P}{I}$

• Widerstand R mit [R] = Ω (Ohm)

• Leitwert G mit [G] = S (Siemens)

• Elektrische Leistung (entspricht Arbeit pro Zeit)

• Im Gleichstromkreis:

$P = U \cdot I$

• Im Wechselstromkreis:

• Wirkleistung P mit [P] = W (Watt)

$P = U \cdot I \cdot \cos \varphi$

• Blindleistung Q mit [Q] = var (von Volt-Ampère-réactif)

$Q = U \cdot I \cdot \sin \varphi$

• Scheinleistung S mit [S] = VA (Voltampere)

$S = U \cdot I$

• Elektrische Energie

$W = P \cdot t$

• • Wirkarbeit W mit [W] = kWh (Kilowattstunde), Wh (Wattstunde), Ws (Wattsekunde) oder Joule
  • Blindarbeit W_q mit [W_q] = Vars, Varh oder kVarh
  • Scheinarbeit W_s mit [W_s] = VAs, VAh oder kVAh

• Kapazität C mit [C] = F (Farad)

$C = \frac{Q}{U}$

• Induktivität L mit [L] = H (Henry)

$H = \frac{\Phi}{I}$

Siehe auch

• Elektrischer Strom
• Elektrosmog
• Elektrizitätsversorgungsunternehmen
• Internationales Einheitensystem
• Kraftwerksmanagement

Literatur

• Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme - Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Springer Verlag, Heidelberg 2006, ISBN 3-540-29664-6.

Weblinks

• Berechnung von Elektrizität: Leistung Spannung Stromstärke Widerstand
• Elektrische Berechnungen – Das ohmsche Gesetz und das magische Dreieck
• Grundwissen für die Schule
• Elektrizitätslehre bei Lern-Online.net
• Material für die Schule (1.-8.Klasse)
• Gesetz über die Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energien in das öffentliche Netz (Stromeinspeisungsgesetz - StrEG)