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Elektrizität

 

die, -, alle Erscheinungen im Zusammenhang mit dem Vorhandensein ruhender oder bewegter elektrischen Ladungen und den damit verbundenen elektrischen und magnetischen Feldern sowie Kraftwirkungen; im engeren Sinn bezeichnet man als Elektrizität auch die elektrischen Ladungen selbst und die mit ihren Bewegungen verknüpften elektrischen Ströme sowie - besonders in der Elektrotechnik - die elektrische Energie (vergleiche Begriffe wie Elektrizitätswerk, Elektrizitätszähler u. Ä.).

 

 Elektrostatik

 

Die Elektrostatik ist die Lehre von den ruhenden elektrischen Ladungen und ihren zeitlich unveränderlichen Feldern, die die Wechselwirkungen mit der Umgebung beschreiben. In der Natur finden sich zwei Arten elektrischer Ladungen, die in beiden, als positiv und negativ bezeichneten Erscheinungsformen an Materie gebunden und in der Regel in der Materie gleichmäßig verteilt sind; sie können z. B. in Elektrisiermaschinen getrennt und gesondert angesammelt werden: Die positive Ladung (positive Elektrizität) ist v. a. mit den Protonen in den Atomkernen der Atome verknüpft, die negative Ladung (negative Elektrizität) v. a. mit den in der Atomhülle der Atome gebundenen und aus dieser freisetzbaren Elektronen. Infolge des atomaren Aufbaus der Materie haben makroskopische Körper bei negativer Aufladung einen Elektronenüberschuss, bei positiver Aufladung einen Elektronenmangel. Zwischen elektrisch geladenen Teilchen oder Körpern treten elektrische Kräfte auf, die bewirken, dass sich gleichnamige Ladungen abstoßen, ungleichnamige Ladungen dagegen anziehen (coulombsches Gesetz). Diese Kräfte können mit der coulombschen Drehwaage gemessen werden. Während lange Zeit die Vorstellung herrschte, dass die Kräfte zwischen den Ladungen unvermittelt durch den Raum augenblicklich aufeinander wirken (Fernwirkungstheorie), hat sich seit M. Faraday die Nahewirkungstheorie durchgesetzt. Nach ihr ist der Zustand des Raumes in der Umgebung einer Ladung verändert, es besteht ein elektrisches Feld, in dem jeder Punkt an den unmittelbar benachbarten die Kraftwirkung weitergibt. Die Richtung, in der die Kraft auf eine Probeladung wirkt, wird durch Kraftlinien (Feldlinien) veranschaulicht, ihr Betrag durch deren Dichte. Entlang den Kraftlinien ändert sich die elektrische Feldstärke E. Orte gleicher Feldstärken liegen auf zusammenhängenden Flächen senkrecht zu den Kraftlinien, auf denen die potenzielle Energie einer Ladung Q jeweils konstant ist. Die Energiedifferenz W (Potenzialdifferenz) zwischen zwei derartigen Äquipozenzialflächen ist proportional der Ladung: W = Q · U. Den Proportionalitätsfaktor U nennt man elektrische Spannung. Misst man die Energiedifferenz in Joule (J), die Ladung in Coulomb (C), so ergibt sich die Spannung in Volt (V).

 

Ein elektrisches Feld lässt sich neben der elektrischen Feldstärke E auch durch eine weitere Feldgröße, die elektrische Flussdichte oder Verschiebung D, beschreiben, die im Allgemeinen proportional zur elektrischen Feldstärke ist und im Zusammenhang mit der Verschiebung von Ladungen im elektrischen Feld eingeführt wurde. Bringt man z. B. in das homogene elektrische Feld eines Plattenkondensators senkrecht zu den Feldlinien zwei sich zunächst berührende Metallplatten und zieht sie auseinander, so sind sie gleich, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen geladen. Diese Ladungstrennung im elektrischen Feld nennt man Influenz. Für die auf der Plattenfläche A_i jeder Metallplatte influenzierte Ladung Q_i gilt, wenn A die Fläche einer Kondensatorplatte und Q die auf ihr befindliche Ladung ist: Q_i /A_i = Q /A = D, d. h., der Betrag der elektrischen Verschiebung ist der Flächenladungsdichte der durch Influenz verschobenen Ladung gleich.

 

In einem Leiter trennen sich durch Influenz so lange Ladungen, bis in ihm kein elektrisches Feld mehr besteht, das weitere Ladungen bewegen könnte. Ein Leiter hat überall konstantes Potenzial, wenn in ihm nicht durch dauernde Energiezufuhr eine Potenzialdifferenz aufrechterhalten wird. Ein mit —Q geladener Leiter hält in einer gegenüberstehenden, leitenden Platte die Ladung +Q fest; die negativen Ladungen fließen ab. Im Endzustand haben Leiter und Platte je ein festes Potenzial. Die Potenzialdifferenz (Spannung) U ist proportional zu Q; es gilt: Q = CU, wobei die Konstante C, die nur von der geometrischen Anordnung der Leiter zueinander abhängt, als elektrische Kapazität bezeichnet und in Farad (F) gemessen wird. Ist der Zwischenraum mit einem Dielektrikum der Dielektrizitätszahl (relativen Dielektrizitätskonstante) ε_r ausgefüllt, so multipliziert sich die Vakuumkapazität mit ε_r (Kondensator). Im Vakuum und in Gasen schließlich können räumlich verteilte Ladungen auftreten mit einer von Ort zu Ort verschiedenen Raumladungsdichte.

 

 Elektrischer Strom

 

Über einen Leiter entlädt sich ein Kondensator im Allgemeinen sofort, über einen Halbleiter nur verhältnismäßig langsam, über einen Isolator so gut wie überhaupt nicht. Dabei erfolgt durch den Leiter ein als elektrischer Strom bezeichneter Ladungstransport, dessen Stärke, die in der Sekunde durch den Leiter fließende Ladungsmenge, als elektrische Stromstärke I bezeichnet und in Ampere (1 A = 1 C/s) gemessen wird. Der Begriff der elektrischen Stromstärke wird wichtig, wenn man über längere Zeiten konstante Stromstärken herstellen kann, wenn man also Vorrichtungen hat, die trotz ständiger Ladungsentnahme konstante Spannungen aufrechterhalten. Bei sehr kleinen Stromstärken ermöglichen dies z. B. Elektrisiermaschinen. Größere Ströme erhält man ohne Benutzung elektrodynamischer Vorgänge durch Zusammenschalten von bestimmten Leitern der 1. Klasse, z. B. Metallen mit von null verschieden Berührungsspannung, mit einem Leiter der 2. Klasse, einem Elektrolyten, weil dann elektrochemische Vorgänge eine Stromerzeugung bewirken können (Elektrochemie). Verbindet man z. B. in angesäuertes Wasser getauchte Platten von Kupfer und Zink, so fließt ein Strom. Durch Hintereinanderschalten solcher Elemente kann man größere elektrische Spannungen erzielen. Will man die Stromstärke vergrößern, muss man Elemente gleicher Spannung parallel schalten (galvanische Elemente).

 

Der elektrische Strom kann durch seine magnetische Wirkung gemessen werden (H. C. Ørsted, 1820): Jede bewegte elektrische Ladung wird außer von ihrem elektrischen Feld zusätzlich von einem Magnetfeld ringförmig umgeben. Die Magnetfeldlinien verlaufen, in Richtung des Stromes gesehen, im Rechtsschraubensinn (Rechtefaustregel). Ein Strom, der von Süden nach Norden über eine Magnetnadel geführt wird, lenkt also den Nordpol der Nadel nach Westen ab, wenn man als Stromrichtung die vom positiven Pol der Batterie zum negativen festsetzt (konventionelle oder technische Stromrichtung). Diese in der Physik und Elektrotechnik gebräuchliche, historisch bedingte Stromrichtung ist der Laufrichtung der Elektronen im Leiter entgegengesetzt. Durch ihre Magnetfelder üben zwei Strom führende Leiter Kräfte aufeinander aus (ampèresches Gesetz). Ein Zylinder, auf den der stromführende Draht aufgewickelt ist (Spule), verhält sich wie ein Magnet (Elektromagnet). In dieser Verknüpfung elektrischer und magnetischer Erscheinungen zeigt sich bereits ein erster Ansatz zu ihrer vollständigen Verschmelzung in der Elektrodynamik.

 

Durch gleichzeitige Spannungs- und Strommessung gelangt man zum ohmschen Gesetz: U = R · I, mit dem in Ohm (Ω) gemessenen ohmschen Widerstand als Proportionalitätsfaktor. Eine zweite wichtige Wirkung des elektrischen Stromes ist die Erwärmung des Leiters bei Stromdurchgang (J. P. Joule, 1841). Die in einem Draht erzeugte joulesche Wärme (joulesches Gesetz) lässt sich zur Strommessung benutzen (Hitzdrahtinstrument). - Zur Definition der Stromstärke lassen sich schließlich auch die elektrolytischen Wirkungen des elektrischen Stromes verwenden (Elektrolyse).

 

 Elektrodynamik

 

Im Gegensatz zu A. M. Ampère, der als Elektrodynamik allgemein die Lehre von den Kräften bezeichnete, die von bewegten Ladungen (elektrischen Strömen) ausgehen, versteht man heute darunter häufig nur die Lehre von den zeitlich veränderlichen elektromagnetischen Feldern. Historisch wie auch sachlich lassen sich zwei Teilgebiete abgrenzen: 1) die Elektrodynamik langsam veränderlichen Felder, zu denen auch jedes von einem niederfrequenten Wechselstrom erzeugte Feld gehört, und 2) die Elektrodynamik schnell veränderlicher Felder. Die Erzeugung langsam veränderlicher Felder beruht ausschließlich auf der elektrischen Induktion (M. Faraday, 1831-34): In einem geschlossenen Leiter wird eine Spannung induziert, wenn sich der die Leiterschleife durchsetzende magnetische Kraftfluss zeitlich ändert. Es zeigt sich, dass nicht nur jede bewegte Ladung, allgemein jeder elektrische Strom, von magnetischen Feldlinien umschlungen ist, sondern dass auch jeder sich ändernde magnetische Fluss seinerseits von geschlossenen elektrischen Feldlinien umgeben ist. Aus dieser als Elektromagnetismus bezeichneten und durch die maxwellsche Theorie der Elektrodynamik beschriebene Verknüpfung elektrischer und magnetischer Größen bei ihren räumlichen und zeitlichen Änderungen lässt sich die Fülle der oft verwickelten Beziehungen zwischen veränderlichen Strömen und Feldern ableiten, die die Wirkungsweise z. B. von Elektromotoren, Generatoren u. a. erklären und damit die Entwicklung der modernen Elektrotechnik ermöglichten. Während die Induktion bei langsam veränderlichen Feldern die wesentliche Rolle spielt (Transformator, Generator), lässt sich die magnetische Wirkung des 1862 von J. C. Maxwell in seiner Theorie eingeführten Verschiebungsstromes (die zeitliche Änderung der dielektrischen Verschiebung) nur in schnell veränderlichen Feldern beobachten (H. Hertz, 1888). Diese lassen sich nicht mehr durch einfache mechanische Mittel (Bewegung von elektrischen Leitern im Magnetfeld oder von Magneten im elektrischen Feld) erzeugen. Sie entstehen vielmehr in elektrischen Schwingkreisen durch hochfrequente Entladungsströme, die elektrische Schwingungen darstellen. Dabei lösen sich die mit ihnen verknüpften elektromagnetischen Felder von den stromdurchflossenen Leitern ab und breiten sich als elektromagnetische Wellen in den Raum aus. Die durch die maxwellsche Theorie gegebene Erklärung der elektromagnetischen Erscheinungen umfasst schließlich auch die Ausbreitung von Wärme-, Licht-, Röntgen- und Gammastrahlung als räumlich und zeitlich periodische Änderung elektromagnetischer Felder.

 

 Atomistik der elektrischen Erscheinungen

 

Die maxwellsche Theorie der elektromagnetischen Felder charakterisiert die Stoffe im Wesentlichen durch Dielektrizitätskonstante, Permeabilität und spezifischen elektrischen Widerstand. Sie selbst bietet keine Möglichkeit, die Unterschiede der Stoffe hinsichtlich dieser Konstanten zu erklären. Die elektromagnetische Lichttheorie gibt keine Auskunft über die Prozesse, die zur Lichtaussendung führen, v. a. nicht über die diskreten Wellenlängen (Spektrallinien) des von glühenden Gasen ausgesandten Lichtes. Die Antwort auf diese Fragen hat erst die Atomphysik gegeben, die durch die Entdeckung der Röntgenstrahlen, der Radioaktivität und der Elektronen eingeleitet wurde und durch die Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik ein theoretisches Fundament erhielt.

 

Danach besteht die Elektrizitätsleitung in Metallen, allgemein in Leitern 1. Klasse, in der Bewegung von Elektronen. Der ohmsche Widerstand kommt dadurch zustande, dass die Elektronen durch Gitterbaufehler, z. B. Fremdatome und Versetzungen, und durch temperaturbedingte Gitterschwingungen (Phononen) abgelenkt werden und Energie verlieren; sie bewegen sich wie in einem reibenden Medium. Die joulesche Wärme ist also als Reibungswärme zu deuten. In Gasen sowie in flüssigen und festen Isolatoren kann neben dieser Leitung durch Elektronen noch - ebenso wie in einem Elektrolyten oder Plasma - eine Leitung durch Ionen stattfinden. Bei den Elektronenleitern und -halbleitern hat man eine Reihe von Effekten beobachtet, die vollständig erst durch die Quantenmechanik (Bändermodell) aufgeklärt werden konnten, so z. B. die thermoelektrischen Effekte, den Gleichrichtereffekt im Übergangsgebiet zwischen einem Halbleiter und einem Metall und im Übergangsgebiet zwischen p- und n-Halbleitern (p-n-Übergang, Sperrschicht) und den inneren Photoeffekt. Neben den Energieverlusten durch Leitung können in Isolatoren noch zusätzliche Verluste auftreten, wenn die Moleküle des Stoffes ein permanentes Dipolmoment besitzen (polare Moleküle). Sie werden dann in einem elektrischen Wechselfeld hin- und hergedreht und verlieren durch Reibung Energie. Diese Reibungsverluste sind im Gegensatz zu den Leitungsverlusten frequenzabhängig (dielektrische Verluste). - Bei den dielektrischen Stoffen mit unpolaren Molekülen verursacht ein außen angelegtes elektrisches Feld Verschiebungen der in ihnen befindlichen negativen und positiven Ladungen gegeneinander, wodurch molekulare Dipolmomente erzeugt werden; diese dielektrische oder Verschiebungspolarisation nimmt im Allgemeinen proportional zur angelegten elektrischen Feldstärke zu (elektrische Polarisation). Bei den polaren Stoffen kommt eine weitere Polarisation durch Ausrichten der vorhandenen Dipole hinzu, die ebenfalls mit wachsendem Feld ansteigende parelektrische Polarisation. Bei manchen Kristallen (z. B. Quarz) ist die parelektrische Polarisation von mechanischen Deformationen begleitet (Elektrostriktion), wie auch umgekehrt in solchen Kristallen durch Deformation eine Ladungsverschiebung erzeugt wird, die sich in dem Auftreten von Oberflächenladungen äußert. Eine Folge der parelektrischen Polarisation ist der pyroelektrische Effekt (Pyroelektrizität).

 

 Geschichte

 

Die Lehre von der Elektrizität ist wesentlich jünger als die vom Magnetismus. W. Gilbert stellte 1600 die ersten Untersuchungen über die »corpora electrica« und die »vis electrica« an und verstand darunter Stoffe, die wie der Bernstein (griechisch e̅́lektron) nach dem Reiben leichte Körper anzuziehen vermögen. Das Substantiv »electricity« benutzte erstmals 1646 T. Browne in seiner »Pseudodoxia epidemica«. O. von Guericke, R. Hooke, R. Boyle, F. Hauksbee u. a. beobachteten zwar Vorgänge elektrischer Natur, ohne sie aber in diesem Sinne aufzufassen.

 

Erst um das Jahr 1730 entwickelte sich durch die Entdeckungen von S. Gray und C.-F. Dufay eine Lehre von der Reibungselektrizität, die B. Franklin, E. G. von Kleist, J. H. Winckler, F. U. T. Äpinus, J. Priestley, J. C. Wilcke, A. Volta und C. A. Coulomb weiterführten. Durch L. Galvanis Untersuchungen über »tierische Elektrizität« (1789) und die dadurch veranlasste Erfindung der voltaschen Säule (1799/1800) wurde ein neuer Abschnitt der Elektrizitätslehre angebahnt. Sie begann mit der Entwicklung der Elektrochemie (J. W. Ritter, C. J. D. von Grotthuss, J. J. Berzelius, H. Davy), ging im Anschluss an H. C. Ørsteds Entdeckung des Elektromagnetismus (1820) durch die von A. M. Ampère entdeckten und benannten Erscheinungen in die Entwicklung der Elektrodynamik über und fand durch die Entdeckung der Thermoelektrizität (T. J. Seebeck 1821), die Aufstellung des ohmschen Gesetzes (G. S. Ohm 1826) und die Entdeckung der Induktionserscheinungen durch M. Faraday (1831) einen gewissen Abschluss.

 

Theoretisch wurde all dies nach dem Vorgehen von Ampère zunächst in Form von Fernwirkungstheorien zusammengefasst (F. Neumann, W. Weber), bis dann J. C. Maxwell die von Faraday entwickelte Vorstellung der den Raum durchziehenden elektrischen und magnetischen Kraftlinien zu einer Theorie des elektromagnetischen Feldes ausbildete, die nicht nur die Erscheinungen der Elektrodynamik vollständig beschreiben konnte, sondern auch eine elektromagnetische Lichttheorie einschloss. Sie wurde u. a. durch die Versuche von H. Hertz (1887/88) und O. Lodge über die Ausbreitung elektrischer Wellen bestätigt. Schon etwas früher hatten Untersuchungen über den Durchgang der Elektrizität durch Gase begonnen (M. Faraday 1837, J. Plücker 1859, J. W. Hittorf 1869, W. Crookes 1879), die zur Entdeckung der »Kathodenstrahlen« durch Plücker sowie der »Kanalstrahlen« durch E. Goldstein und zur Klärung des Wesens dieser Korpuskularstrahlen durch J. Perrin, J. J. Thomson, P. Lenard und W. Wien führten.

 

1895 führte H. A. Lorentz mit seiner Elektronentheorie die Atomistik in die Elektrizitätslehre ein und konnte dadurch u. a. die in der maxwellschen Theorie unerklärt gebliebenen Materialkonstanten erläutern. 1905 schließlich begründete A. Einstein die relativistische Elektrodynamik bewegter Körper.

 

Literatur:

 

R. Becker u. F. Sauter: Theorie der E., 3 Bde. (^1-211969-73);

 H. Schilling: Elektromagnet. Felder u. Wellen (²1975);

 K. Meetz u. W. L. Engl: Elektromagnet. Felder (1980);

 U. Weyh: Die Grundlagen der Lehre vom elektr. u. magnet. Feld (²1984);

 F. Fraunberger: Illustrierte Gesch. der E. (1985);

 H. Hofmann: Das elektromagnet. Feld (Wien ³1986);

 L. Bergmann u. C. Schaefer: Lb. der Experimentalphysik, Bd. 2: E. u. Magnetismus (⁷1987);

 E. M. Purcell: E. u. Magnetismus (a. d. Engl., ⁴1989).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

Energie: Umwandlung und Transport

 

Elektrizität: Eine neue Kraft