Was ist Elektrizität?

Autor:
Publikation:	1.11.1997
Herkunft:	La main à la pâte, Paris

Elektrizität hat vor allem mit Ladungen zu tun. Es gibt zwei Arten von Ladun­gen: positive und negative Ladungen. Ladungen mit gegensätzlichem Vorzei­chen ziehen sich an, und solche mit gleichem Vorzeichen stoßen sich ab. Jeder Stoff enthält Ladungen. Wenn ein Körper genauso viele positive wie negative Ladungen enthält, sagt man, dass er neutral ist. Wenn man dieses Gleichge­wicht verändert, wird der Körper geladen. Er hat dann anziehende oder absto­ßende Eigenschaften, wechselwirkt also mit anderen Körpern in seiner Umge­bung. Die Elektrizität beschreibt alle von den Ladungen verursachten Phäno­mene.

Man unterscheidet im Allgemeinen die statische Elektrizität, die Elektrostatik, die die Wechselwirkung von unbewegten Ladungen behandelt, von der Elek­trodynamik, bei der es um bewegte Ladungen geht, z. B. in einem elektri­schen Stromkreis. Historisch betrachtet wurde die Elektrostatik bereits von Thales von Milet im 6. Jahrhundert v. Chr. entdeckt, während die Elektrodyna­mik erst nach der Erfindung der Batterie durch Alessandro Volta im Jahre 1800 einen wahren Aufschwung erfuhr.

Die Elektrostatik

Obwohl das ihr Name vermuten ließe, ist die Elektrostatik alles andere als sta­tisch. Ganz im Gegenteil, die Ladungen unterliegen dem elektrischen Einfluss anderer Ladungen. Dadurch stoßen sich die Ladungen ab oder sie ziehen sich an, je nach Vorzeichen. Beim Bürsten richten sich unsere Haare auf dem Kopf auf. Das rührt daher, dass jedes Haar ein Isolator ist. Durch das Bürsten wer­den dem Haar Ladungen entrissen, so dass es sich von seinen Nachbarn ab­stößt. Auf manchen Kleidungsstücken sammeln sich statische Ladungen. Be­rührt man (als Träger eines solchen Kleidungsstückes) einen metallischen Lei­ter oder eine andere Person, fließen diese Ladungen ab. Dadurch wird ein Strom er­zeugt, den wir als elektrische Entladung wahrneh­men – das ist zwar unangenehm, aber nicht gefährlich. Ladungen können sich auch zwischen zwei flachen Leitern sammeln, die durch eine Isolierschicht getrennt sind. Eine sol­che Anordnung nennt man einen Kondensator. Ein Kondensator kann eine kleine Menge Ladungen speichern.

Elektrodynamik

Wenn man von Elektrizität spricht, meint man meistens die Elektrodynamik. In der Elektrodynamik spielen die Ladungen auch wieder eine Rolle, aber dieses Mal sind es bewegte Ladungen, die sich z. B. in einem elektrischen Stromkreis ständig bewegen. Diese bewegten Ladungen sind der elektrische Strom. Einen Strom gibt es nur, wenn der Stromkreis geschlossen ist und dieser über ein lei­tendes Material im Strom­kreis die Ladungen "leitet"; außerdem wird eine Span­nungsquelle benötigt.

Man unterscheidet in der Elektrodynamik Gleich- und Wechselstrom. Für Gleichstrom benötigt man eine Gleichspannungsquelle (z. B. eine Batterie). Sie hat einen Plus- und einen Minuspol. Die Ladungen fließen bei einem Stromkreis mit Gleichstrom immer in die gleiche Richtung.

Für Wechselstrom benötigt man eine Wechselstromquelle (z. B. ein Wechsel­stromnetzteil für den Unterricht). Bei Wechselstrom driften die Ladungen hin und her. Wechselstrom nutzen wir auch viel im Alltag, denn unser Versorgungs­netz ist ein Wechselstromnetz, und die Spannung, die wir an der Steckdose abgreifen, eine Wechselspannung.

Auf atomarer Ebene

Man kann versuchen, die Elektrizität zu verstehen, indem man die Materie im mikroskopischen Maßstab, d. h. im Maßstab der Atome untersucht. Die Bau­teile der Atome können elektrisch neutral oder elektrisch geladen sein. Die Ladung kann ein positives oder ein negatives Vorzeichen tragen. Die Ladung der Protonen (im Atomkern) trägt ein positives und die Ladung der Elektronen in der Atomhülle ein negatives Vorzeichen. Die Neutronen (im Atomkern) sind elektrisch neutral. Ladungen können sich addieren. So addieren sich viele posi­tive Ladungen zu einer großen positiven Ladung, oder viele negative zu einer großen negativen Ladung. Negative Ladungen können dabei positive Ladungen ausgleichen.

Die Ladung, die ein Elektron oder ein Proton trägt, nennt man Elementarla­dung. Ein Proton hat eine positive Elementarladung (Q_Proton = 1,602∙10⁻¹⁹ C), ein Elektron eine negative Elementarladung (Q_Elektron = −1,602∙10⁻¹⁹ C [1]). Besteht ein Atom also aus genauso vielen Elek­tronen wie Protonen, ist es insgesamt elektrisch neutral.

Die Protonen und Elektronen ziehen sich aufgrund der unterschiedlichen Vor­zeichen ihrer Ladungen an. Dadurch werden die Elektronen an den Atomkern (in dem sich die Protonen und Neutronen befinden) gebunden. Die am schwächsten gebundenen Elektronen sind imstande, aus dieser "Einfluss­sphäre" zu entkommen. Daher können z. B. Metalle leiten. Die Elektronen ver­schieben sich dann innerhalb der Materie. Legt man eine äußere Spannung an, bewegen sich die Elektronen bevorzugt in eine Richtung: Es fließt ein elektri­scher Strom durch das Material.

Anmerkung: Dies ist allerdings nicht die einzige Möglichkeit, wie ein Strom auf atomarer Ebene auftreten kann. In Lösungen z. B. findet man in der Regel nicht nur ungeladene, sondern auch eine gewisse Anzahl – sowohl negativ als auch positiv – geladener Atome und Moleküle, die also ein oder mehr Elektro­nen "zu viel" oder "zu wenig" haben. Diese werden als Ionen bezeichnet. Auch diese werden durch eine Spannung in Bewegung gesetzt, so dass ebenfalls ein Strom zustandekommt.

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Fußnoten

1: Das C steht für Coulomb, die Einheit der Ladung.

Letzte Aktualisierung: 29.11.2023