V05 Elektrizität

Die Anfänge der Elektrizität und des Magnetismus
1.  Elektrische Ladungen, magnetische Pole und ihre Eigenschaften
2.  Batterien
3.  Alessandro Volta – Leben und Persönlichkeit
4.  Elektrische Ströme und magnetische Felder
5.  Elektromagnetische Induktion
6.  Michael Faraday – Leben und Persönlichkeit
Verschiedene Kompassarten
Chinesischer Südweiser
(etwa 1. Jahrh. v. Chr.)
Schiffskompass in einer
kardanischen Aufhängung
Trockenkompass
aus dem 13. Jahrhundert
Grundtatsachen zu Permanentmagneten
Ein drehbar aufgehängter Stabmagnet richtet sich in NordSüd-Richtung aus. Das nach Norden zeigende Ende wird
Nordpol des Magneten genannt.
N
S
N
S
N
S
S
N
N
S
Ungleichnamige Pole ziehen sich an,
gleichnamige stoßen sich ab.
Feld eines Stabmagneten; die Pfeile
geben die Richtung der Feldlinien an
Leidener Flaschen
Experimente mit Gewitterelektrizität
Drachenexperiment von B. Franklin
Tod von Richmann
Um 1770 bekannte Phänomene der Elektrizitätslehre
Entweder gibt es zwei verschiedene Arten von Elektrizität, eine positive
und eine negative, oder es gibt nur eine, die dann einem neutralen Körper
zugeführt oder aus ihm abgeführt werden kann.
Die Elektrizitätsmenge bleibt erhalten. Das heißt, die Summe aus positiven und negativen Ladungen ist konstant.
Es gibt Nichtleiter, in denen sich die Elektrizität nicht bewegen kann, und
Leiter, in denen sie sich frei bewegen kann.
Gleiche Ladungen stoßen sich ab, entgegengesetzte ziehen sich an.
Kräfte zwischen zwei geladenen Kugeln
r
Coulombsches Gesetz (um 1790): F = fc · q · Q / r2
Schema der Drehwaage
zur Untersuchung des Coulombgesetzes
r
q
Q
Coulombsches Gesetz
Experimenteller Aufbau
Verlauf des Lichtzeigers
Galvanis Froschschenkelversuch (1780)
und Voltas Galvanische Zelle (1800)
4. Batterien und Akkumulatoren
Grundversuch mit Kupfer-, Zink- und Bleiplatten:
Elektrochemische Spannungsreihe
Fluor (F)
Kupfer (Cu)
Blei (Pb)
Zink (Zn)
Lithium (Li)
F2 + 2 e− ⇌ 2 F−
Cu2+ + 2 e− ⇌ Cu
Pb2+ + 2 e− ⇌ Pb
Zn2+ + 2 e− ⇌ Zn
Li+ + e−
⇌ Li
+2,87 V
+0,35 V
−0,13 V
−0,76 V
−3,05 V
Die Spannungen geben in relativen Einheiten an, ob ein Element gern
Elektronen aufnimmt bzw. abgibt.
Beispiel: Fluor nimmt gern Elektronen auf und hat damit eine
Edelgaskonfiguration (positive Spannung), während Lithium gern
Elektronen abgibt und auf diese Weise ebenfalls eine
Edelgaskonfiguration erhält (negative Spannung).
Eine Batterie aus zwei verschiedenen Elementen besitzt eine
Spannung, die sich aus der Differenz der Einzelspannungen ergibt.
Energiedichten und Wirkungsgrade
System
Energiedichte
Wirkungsgrad
Bleiakku
30 Wh/kg
60 – 70 %
Lithiumionenakku
110 – 220 Wh/kg
90 %
Dieselmotor
10 000 Wh/kg
35 – 45 %
Alessandro Volta (1745 – 1827)
1745 
1760 
1775 
1778 
1792 
1800 
1801 
1810 
1827
geboren in Como in eine wohlhabende,
stark religiöse Familie
Beginn seines Selbststudiums in den
Naturwissenschaften
Physiklehrer in Como
Physikprofessor an der Uni Pavia
Erfuhr er von Galvanis FroschschenkelExperimenten
Erfindung der Voltaschen Säule
Präsentation der Säule bei Napoleon
Erhebung in den Grafenstand
bei Como gestorben
Magnetfelder
Versuch von Oersted 1820
Feld um einen Permanentmagneten
Feld um einen stromdurchflossenen Leiter
Definition der Stromstärkeeinheit 1 Ampere
Im Jahre 1946 einigte man sich - international einheitlich dann auf die noch heute gültige Amperedefinition:
Die Einheit 1 Ampere ist die Stärke eines zeitlich unveränderlichen elektrischen Stromes, der durch zwei im Vakuum
parallel im Abstand 1 Meter voneinander angeordnete,
geradlinige unendlich lange Leiter von vernachlässigbar
kleinem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je ein
Meter Leiterlänge die Kraft 2·10-7 Newton hervorrufen würde.
•  In der Praxis hat man keine unendlich langen Leiter und auch die in der Definition
genannte Kraft ist extrem klein. Zur Darstellung des Normals 1A verwendet man daher
andere Leiteranordnungen und steckt eine komplizierte Theorie in die Auswertung.
•  Auch mit dem neuen Stromstärkenormal ist man inzwischen nicht mehr ganz zufrieden.
Das Ampere ist von den Basisgrößen das ungenaueste Normal.
Faradays Experimente zur Induktion
„Einfacher Elektromotor“ nach Faraday
Zustandekommen einer rotierenden Salzlösung durch
magnetische Ablenkung ihrer Ionen
Michael Faraday
(1791 – 1867)
„...dagegen gelang es mir, den gegenwärtig
ersten Physiker Englands und Europas,
Faraday , zu sehen....
Das waren für mich große und angenehme
Augenblicke. Er ist einfach, liebenswürdig
und anspruchslos wie ein Kind, ein so
herzgewinnendes Wesen habe ich in einem
Manne noch nie gesehen.“
Hermann von Helmholtz
1791  Geboren in einem Londoner Vorort als Sohn
einer armen Familie
1805  Siebenjährige Buchbinderlehre
1813  Zweite Lehre als Chemielaborant in der Royal
Institution
1816  Erste wissenschaftliche Publikation
1824  Mitglied der Royal Society
1826 Einführung der Freitagabendveranstaltungen und
der Weihnachtsvorlesungen für junge Hörer
1827  Professor für Chemie an der Royal Institution
1831  Entdeckung der elektromagnetischen Induktion,
im Jahr darauf der Gesetze der Elektrolyse und
des Faraday-Käfigs
1845  Untersuchung des Lichts und verschiedener
Substanzen in starken Magnetfeldern
1867 In Hampton Court gestorben
Faradays Lecture Theatre – gestern und heute
In diesem Hörsaal in der Royal Institution finden seit 1826 die Weihnachtsvorlesungen statt, die
seit etlichen Jahren auch im Fernsehen übertragen werden.
Links: Faraday vor teils königlichem Publikum, rechts: eine Vorlesung für Kinder aus dem Jahre
2006