Informations- und Kommunikationstechnik

Elektrizität

Elektrizität wird verständlich, wenn man sich mit elektrischer Ladung, elektrischer Spannung und dem elektrischen Strom beschäftigt. Der menschliche Körper hat kein 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, eine Bezeichnung der alten Griechen für Bernstein, einem fossilen Harz. Wird Bernstein an einem weichen Stoff gerieben, zeigt er die Fähigkeit leichte Partikel entgegen der Schwerkraft anzuziehen. Man hatte eine unbekannte physikalische Erscheinung entdeckt, die heute mithilfe der Elektrostatik erklärt werden kann. Neben Bernstein lassen sich viele andere Werkstoffe durch Reibung aufladen und in einer Art Ladungsreihe anordnen. In dieser Reihe nimmt von links nach rechts die positive Aufladung zu.

<------- negativer ---------------- positiver --------->
Bernstein – Schwefel – Lack – Seide – Baumwolle – Glas – Elfenbein – Katzenfell

Bei der mechanischen Trennung unterschiedlicher Materialien, die zuvor direkten Kontakt hatten oder aneinander gerieben wurden, lassen sich hohe elektrostatische Aufladungen erzeugen. Der Unterschied zwischen den elektrischen Ladungen wird elektrische Spannung genannt. Der spontane Ladungsausgleich kann als Funken sichtbar sein. Das gewaltigste Beispiel zeigt uns die Natur mit der Blitzentladung in einer Gewitterwolke.

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 rasche 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 Landungstrennkraft erzeugt

Atombausteine – Aufbau der Elemente

Bernstein und Glas sind von Natur aus ladungsneutral. Reibt man diese Werkstoffe an Wolle oder einem Katzenfell, so wird an ihnen mechanische Energie aufgewendet. Nach ihrer Trennung lassen sich an beiden Werkstoffen 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 aufgebaut, einer Anordnung verschiedener Ladungsträger. Die wichtigsten Bausteine des Atomkerns sind die Protonen und Neutronen. Die Ladungsneutralität folgt aus einer bestimmten Anzahl von Elektronen, die den Atomkern mehr oder weniger nahe umgeben. Alle uns 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 das Elektronvolt eV verwendet werden. Es gehört nicht zum Internationalen Einheitensystem, ist aber im SI-System zugelassen.

Albert Einstein formulierte mit E = m · c2 die in der relativistischen Physik bekannten Äquivalenz zwischen Masse und Energie. Damit kann die Ruhemasse eines Elektrons in eine Ruheenergie Gl.(1) umgerechnet werden. Durchläuft ein Elektron ein elektrisches Feld der Spannung 1 Volt, so nimmt seine kinetische Energie um ein Elektronvolt 1 eV zu. Die Ruheenergie eines Elektrons kann mithilfe der Elementarladung in die Einheit Elektronvolt Gl.(2) umgerechnet werden.

Elektronvolt und Ruheenergie

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.