Elektrizität
Elektrizität umfasst das Zusammenwirken von elektrischer Ladung, elektrischer Spannung und dem elektrischen Strom. Der menschliche Körper hat kein spezielles Organ zur Wahrnehmung von Elektrizität. Wir verspüren beim Kontakt mit ausreichend hohen Elektrizitätswerten nur eine mittelbare, manchmal tödliche Wirkung.
Der Name Elektrizität wird auf Elektron zurückgeführt, mit dem im antiken Griechenland der Bernstein, ein fossiles Harz benannt wurde. Wird Bernstein mit einem weichen Stoff gerieben, so werden leichte Partikel entgegen der Schwerkraft angezogen. So wurde eine noch unbekannte physikalische Erscheinung entdeckt, die heute mithilfe der Elektrostatik erklärt werden kann. Neben Bernstein können auch andere Werkstoffe durch Reibung aufgeladen werden. Sie lassen sich in einer Art Ladungsreihe anordnen. Werden die Eigenschaften der Ladungen untereinander verglichen, so stehen zur linken Seite mehr negative und zur rechten Seite positivere Aufladungen.
| <------- negativer ---------------- positiver ---------> |
| Bernstein – Schwefel – Lack – Seide – Baumwolle – Glas – Elfenbein – Katzenfell |
Die mechanische Trennung unterschiedlicher Materialien, die zuvor direkten Kontakt hatten oder aneinander gerieben wurden, erzeugt hohe elektrostatische Aufladungen. Der Unterschied zwischen den elektrischen Ladungen wird als elektrische Spannung bezeichnet. Der spontane Ladungsausgleich kann als Funken sichtbar sein. Das gewaltigste Beispiel in der Natur ist die Blitzentladung zwischen Gewitterwolken oder zur Erdoberfläche.
Die Voraussetzung für bewegte elektrische Ladungen ist das Vorhandensein einer elektrischen Spannung der Ladungsdifferenz. Bewegte Elektrizität wurde um das Jahr 1786 durch Luigi Galvani entdeckt und wird elektrischer Strom genannt. Das Fachgebiet der Elektrodynamik entstand. Mit ihm sind weitere bekannte Namen verbunden. Michael Faraday beschrieb 1831 die Induktion. Im Jahr 1866 legte Werner von Siemens mit dem dynamoelektrischen Prinzip den Grundstein für eine schnelle Entwicklung zur modernen Elektrifizierung.
| Begriff | Formel- zeichen |
Einheit | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| Ladung | Q | A·s (Amperesekunde) ehemals C (Coulomb) |
1 A·s = 1 C = 6,24·1018·e |
| Elementar- ladung |
e | A·s | e = ±1,602·10−19 A·s |
| Strom | I | A (Ampere) | 1 A = 6,24·1018 e / s |
| Spannung | U | V (Volt) | durch Ladungstrennkraft erzeugt |
Atombausteine – Aufbau der Elemente
Bernstein und Glas sind von Natur aus ladungsneutral. Werden diese Werkstoffe mit Wolle oder einem Katzenfell gerieben, so wird zwischen ihnen mechanische Energie aufgewendet. Nach der anschließenden Trennung der beiden Werkstoffe lassen sich unterschiedliche elektrische Ladungen nachweisen. Der Bernstein und der Glasstab haben sich negativ aufgeladen, während auf der Wolle und dem Katzenfell positive Ladungen nachweisbar sind. Das Einwirken mechanischer Energie führt zu einer Trennung von Ladungsträgern, die von Anbeginn im Material vorhanden sind.
Für Elektrizität gibt es gute und schlechte Leiter, wobei man zwischen Nichtleitern oder Isolatoren, Halbleitern und metallischen guten Leitern unterscheidet. Unter besonderen Bedingungen lassen sich Supraleiter erzeugen.
Fast alle Materialien bestehen aus Molekülen. Sie sind aus Atomen, einer Anordnung verschiedener Ladungsträger, aufgebaut. Die wichtigsten Bausteine des Atomkerns sind positiv geladene Protonen und ungeladene Neutronen. Die Ladungsneutralität wird von einer bestimmten Anzahl von Elektronen gewährleistet, die den Atomkern mehr oder weniger nahe umgeben. Alle bekannten chemisch reinen Elemente setzen sich aus einer charakteristischen Anzahl dieser Kernbausteine zusammen.
| Atombaustein | Ladung | Ruhemasse | Eigenschaft |
|---|---|---|---|
| Proton | positiv 1,602·10−19 A·s | 1,6725·10−24 g | stabil |
| Elektron | negativ 1,602·10−19 A·s | 0,9109·10−27 g | stabil |
| Neutron | neutral | 1,6748·10−24 g | stabil mit Proton |
In Gegenwart der Protonen gelten Neutronen als stabil. Freie Neutronen zerfallen mit einer Halbwertzeit von 12 min in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino. Wie die Protonen haben auch die ungeladenen Neutronen ein magnetisches Moment. Daraus lässt sich schließen, dass Neutronen eine besondere innere Struktur besitzen.
Ruheenergie eines Elektrons
In der Teilchenphysik werden Energieangaben oft in der Einheit eV, Elektronenvolt gemacht. Die Angaben zu Einheiten, Zeichen und Namen sind in der DIN 1301-1 genormt festgelegt. Zur Benennung der Ruheenergie eines Elektrons sollte die Bezeichnung Elektronvolt mit der Einheit eV verwendet werden. Es gehört nicht zum Internationalen Einheitensystem, ist aber im SI-System zugelassen.
Albert Einstein formulierte mit \({E_o} = {m_o} \cdot {c^2}\) die in der relativistischen Physik bekannten Äquivalenz zwischen Masse und Energie. Mit dieser Formel kann die Ruhemasse eines Elektrons in eine Ruheenergie umgerechnet werden. Durchläuft ein Elektron ein elektrisches Feld der Spannung 1 Volt, so nimmt seine kinetische Energie um ein Elektronvolt 1 eV zu. \[{E_o} \approx 0,9109 \cdot {10^{ - 27}}g \cdot {\left( {2,998 \cdot {{10}^8}\frac{m}{s}} \right)^2}\] \[{E_o} \approx 8,187 \cdot {10^{ - 11}}\frac{{g\,{m^2}}}{s}\quad \quad N = \frac{{kg\,m}}{{{s^2}}}\quad J = N\,m\]\[{E_o} \approx 8,187 \cdot {10^{ - 14}}\,J\] Die Ruheenergie eines Elektrons kann mithilfe der Elementarladung in die Einheit Elektronvolt umgerechnet werden. \[{E_o} \approx \frac{{8,187 \cdot {{10}^{ - 14}}\,J}}{{1,6021 \cdot {{10}^{ - 19}}\,A\,s}}\quad \quad V = \frac{J}{{A\,s}}\]\[{E_o} \approx 0,511\,MeV\]
Die Kapitel Atommodelle und chemische Bindungen geben einen knappen Einblick in den Aufbau der Materie und sollen dazu beitragen den Ursprung und die Wirkung der Elektrizität besser zu verstehen.