(Eine etwas andere) Übersicht über die

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(Eine etwas andere) Übersicht über die Elektrizitätslehre
Vorbemerkungen
Bei dieser Übersicht geht es mir darum, anhand eines vorerst abgeschlossenen Kapitels der
Schulphysik noch einmal deutlich zu machen, wie Physiker grundsätzlich vorgehen. Die Physik ist
eine Naturwissenschaft, d.h., sie beschreibt und erklärt Vorgänge in der Natur, insbesondere jene,
bei denen sich Regelmäßigkeiten beobachten lassen. Zur Beschreibung bedient sie sich exakt
definierter Begriffe. Und einer exakten Sprache: der Mathematik. Viele Gesetzmäßigkeiten lassen
sich kürzer und präziser in Gleichungen („Formeln“) fassen als in der Alltagssprache ausdrücken.
Darüber, was Naturgesetze sind und wie sie gewonnen werden, gibt es große Missverständnisse.
Falsch ist, dass man Naturgesetze durch Beobachtung der Natur gewinnt. Ägypter und Griechen
haben das versucht, kaum eines ihrer „Gesetze“ hat sich als zutreffend herausgestellt (berühmte
Ausnahme: das Archimedische Prinzp). In der Neuzeit, also seit Galilei, gehen Physiker anders vor:
Sie finden die Gesetze im Kopf, d.h., sie erdenken Hypothesen und Theorien, die dann gezielt
experimentell überprüft werden.
Falsch ist auch, dass solche Naturgesetze unbezweifelbar wahr sind. Genau genommen gelten alle
Naturgesetze und die zugehörigen mathematischen Gleichungen nur für idealisierte Modelle. Auf die
Wirklichkeit treffen sie nur insoweit zu, wie diese mit den Modellen übereinstimmt. Beispiel: Das
Gesetz, dass die Fallgeschwindigkeit eines Körpers unabhängig von seiner Masse ist, gilt genau
genommen nur, wenn keine Widerstandskräfte (z.B. durch Luftreibung) auftreten. Das ist in der
Realität aber niemals der Fall, denn ein 100%iges Vakuum gibt es gar nicht. Gilt das Naturgesetz also
gar nicht? Doch! Es hat wie alle Naturgesetze einen eingeschränkten Gültigkeitsbereich, und man
formuliert es dann so: Das Gesetz gilt, so lange Widerstandskräfte vernachlässigt werden können.
Bei einer Feder oder einem Blatt ist das offensichtlich nicht der Fall, bei einer nicht zu schnellen Kugel
dagegen schon.
Falsch ist schließlich, dass Naturgesetze bewiesen werden können oder sollten. Denn dazu müsste
man beweisen, dass die Natur genau so ist wie die Modelle, für welche die Gesetze gelten. Das
Wesen der Dinge lässt sich aber nicht anders ergründen als durch den Erfolg der Theorien selbst.
Wir sagen, die Natur ist so, wenn ein Ereignis eintritt, das wir aufgrund der Theorie prognostiziert
haben. Ginge die Sonne morgen nicht auf, müssten wir das Naturgesetz, dass sich die Erde um ihre
Achse dreht, überdenken. Viele unseriöse Pseudowissenschaftler und religiöse Eiferer glauben nun,
die prinzipielle Unbeweisbarkeit der Naturgesetze für ihre Zwecke nutzen zu können. Indem sie
behaupten, ihre eigenen Glaubenssätze seien genau so gut wie die Theorien der Wisenschaftler,
denn beweisbar sind ja beide nicht. Damit machen sie es sich aber zu einfach. Denn der Erfolg
naturwissenschaftlicher Theorien ist überwältigend. Religiöse Glaubenssätze dagegen haben bisher
weder zu technischem Fortschritt noch zu irgendwelchen Problemlösungen beigetragen. Wenn
man die Geschichte und die aktuelle weltpolitische Lage betrachtet, möchte man fast sagen: im
Gegenteil...
Aus diesem Grunde halte ich es auch für so wichtig, dass jeder Mensch über eine fundierte
naturwissenschaftliche Grundbildung verfügt, denn sie liefert uns auf Dauer das einzig tragfähige
Weltbild (und übrigens auch das einzig tragfähige Menschenbild). Wer sich kritisch-rationalem,
naturwissenschaftlichem Denken verschließt, öffnet jeder Art von Manipulation Tür und Tor.
Begriffe und Definitionen
 Es gibt positive und negative Elektrizität.
 Träger dieser Elektrizität sind Protonen und Elektronen.
 Körper, bei denen eine Elektrizitätssorte überwiegt, nennt man geladen, andernfalls neutral.
 Elektrischer Strom ist bewegte Ladung, für die Stromstärke I gilt daher : I = Q / t
 Spannung entsteht durch Ladungstrennung. Sie ist ein Maß für die pro Ladung dazu
aufgewendete und folglich gespeicherte (potenzielle) elektrische Energie : U = W / Q

Der elektrische Widerstand R eines Körpers ist ein Maß für die Spannung, die zum Hindurchtreiben eines bestimmten Stroms nötig ist, also für die Spannung pro Stromstärke : R = U / I
 Allgemein ist die Leistung definiert als Arbeit pro Zeit, P = W / t . Daraus ergibt sich für die
elektrische Leistung : P = U  I
 Je nach Leitfähigkeit unterscheidet man Leiter, Halbleiter und Nichtleiter (Isolatoren).
 Den graphischen Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke bei einem elektrischen
Leiter oder Bauteil nennt man dessen Kennlinie.
Modelle und Idealisierungen
 Punktförmige Ladungen.
 Verbindungskabel haben einen vernachlässigbaren Widerstand.
 Feldmodell : Der Zustand des Raumes in der Umgebung sowohl von elektrisch geladenen als
auch von magnetischen Körpern wird mit Hilfe von Feldern beschrieben. Dabei stellen Feldlinien in
Pfeilrichtung vereinbarungsgemäß die Richtung der Kräfte dar, die auf eine positive Probeladung (el.
Feld) bzw. den Nordpol eines Probemagneten (magn. Feld) wirken. Die Dichte der Feldlinien gibt
Aufschluss über den Betrag einer Kraft. Bei konstanter Dichte nennt man das Feld homogen.
 Teilchenmodell : frei bewegliche Elektronen als Gas, Temperatur als Maß für die mittlere
kinetische Energie der Teilchen, Kristallmodell bei festen Körpern.
 Energiemodell : Alles Existente tritt in einer Form von Energie auf. Energie kann von einer
Form in eine andere umgewandelt sowie von einem Körper auf einen anderen übertragen werden.
 Das allgemeine Leitungsmodell : Ein Körper leitet nur, wenn er frei bewegliche Ladungsträger
enthält. Anzahl und Beweglichkeit der Ladungsträger bestimmen seine elektrische Leitfähigkeit und
seinen Widerstand.
Naturerscheinungen (Phänomene) und experimentelle Beobachtungen
 Aufladung von Körpern durch Reibung.
 Zwischen elektrischen Ladungen wirken Kräfte, ebenso zwischen Magnetpolen.
 Nur Eisen, Kobalt und Nickel (ferromagnetische Stoffe) können magnetisiert werden.
 Auch ungeladene Körper werden von elektrischen Feldern beeinflusst (Influenz).
 Der Raum innerhalb eines metallischen Hohlkörpers ist feldfrei (Faraday-Käfig).
 Zwischen zwei geladenen Platten ist die Kraft auf einen geladenen Körper ortsunabhängig
(homogenes elektrisches Feld).
 Ströme fließen auch im Vakuum, in Gasen (Blitzschlag) und in Flüssigkeiten.
 Elektrische Geräte erwärmen sich während des Betriebs.
 Bei Kurzschlüssen können Brände entstehen.
 Der Widerstand von Metallen nimmt bei Erwärmung zu (PTC).
 Der Widerstand von Halbleitern sinkt bei Erwärmung (NTC) und bei Beleuchtung (LDR).
 Elektrische Ströme beeinflussen Kompassnadeln (Oersted-Versuch), Motorprinzip.
 Relativbewegung von Magnet und Leiter ergibt eine Induktionsspannung, Generatorprinzip.

Im Innern einer Spule ist die Kraft auf einen Magnetpol näherungsweise ortsunabhängig
(homogenes magnetisches Feld).
Naturgesetze

Energieerhaltungssatz : Das vielleicht wichtigste und fundamentalste aller Naturgesetze.

Ladungen können nicht beliebig geteilt werden, es gibt eine kleinstmögliche Ladungsmenge,
die sogenannte Elementarladung. Sie beträgt 1,602  10–19 Coulomb. Ein Elektron ist z.B. Träger von
genau einer negativen Elementarladung.

Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an, gleichnamige stoßen sich ab (der Betrag der Kraft
zwischen zwei Ladungen ist übrigens proportional zum Betrag der beiden Ladungen und antiprop.
zum Abstandsquadrat der beiden Ladungsschwerpunkte : F ~ Q1  Q2 / r2 ).

Widerstandsgesetz : Der Widerstand R eines Leiters ist prop. zu seiner Länge
l , dagegen
antiprop. zur Querschnittsfläche A und zur Leitfähigkeit  (Sigma) des Materials : R = l / (A  )

Für Konstantan und näherungsweise auch für Metalle, die sich nicht zu stark erwärmen, gilt das
Ohmsche Gesetz : U / I = const. Die I-U-Kennlinie solcher Leiter ist also eine Ursprungsgerade.

Kirchhoffsche Regeln für die Reihenschaltung und die Parallelschaltung (vgl. Tafelwerk).

Elektrische Ströme sind von einem ringförmigen Magnetfeld umgeben (Linke-Faust-Regel).
 Auf relativ zu einem Magnetfeld bewegte Elektronen wirkt eine Kraft, die sogenannte
Lorentzkraft (Linke-Hand-Regel).
 Induktionsgesetz : In einer Leiterschleife wird eine Spannung induziert, wenn sich die Anzahl
der Magnetfeldlinien, welche die Schleife durchsetzen, zeitlich ändert (Dies kann geschehen 1. durch
Bewegung von Feld oder Schleife, 2. durch Ändern der magnetischen Feldstärke oder 3. durch
Ändern der Schleifenfläche).
 Dreht man eine Spule gleichmäßig (mit konstanter Winkelgeschwindigkeit) in einem
homogenen Magnetfeld, wird in der Spule eine sinusförmige Wechselspannung induziert.
Übrigens lassen sich auch die vier letzten Naturgesetze mit Formeln beschreiben, diese allerdings
begegnen euch erst in der Oberstufe bzw. im Studium.
Erklärungen von Phänomenen mit Hilfe von Modellen und Gesetzen

Sowohl Influenz als auch das Faraday-Prinzip können durch Ladungsverschiebung aufgrund
elektrischer Feldkräfte erklärt werden.

Der Stromfluss in jedem beliebigen Medium kann mit Hilfe des allgemeinen Leitungsmodells
und des Feldmodells erklärt werden. Beispiel: die Vorgänge bei einem Gewitter.

Die Erwärmung von Metallen bei Stromfluss wird mit dem Teilchenmodell erklärt (Reibung,
Stöße von Elektronen mit den Gitter-Atomen).

Die Erhöhung der Leitfähigkeit durch Erwärmung bei Halbleitern wird mit dem Teilchenmodell
(durch stärkere Bewegung freigeschüttelte Elektronen) und dem Leitungsmodell erklärt.

Die elektromagnetische Induktion ist mit Hilfe von Lorentzkraft und Feldmodell erklärbar (vgl.
Applets von Walter Fendt).

Das Verhalten von Dioden und Transistoren kann mit Hilfe von Teilchenmodell, Feldmodell und
Leitungsmodell erklärt werden.
Anwendungen

Elektrische Leitungen bestehen aus Metallen, die außen isoliert sind.

Elektrische Geräte sind geerdet, damit es nicht zu Stromschlägen kommt.

Elektrische Installationen sind mit Sicherungen vor Kurzschluss-Strömen geschützt.

Überlandleitungen stehen unter Hochspannung, um Energieverluste zu vermeiden.

Der beste Gewitterschutz besteht in Autos oder Flugzeugen (Faraday-Prinzip).

Elektrische
Schaltungen
werden
gemäß
der
Kirchhoffschen
Regeln
entworfen
und
vorausberechnet, auch der richtige Einbau von elektrischen Messgeräten wird hierduch bestimmt.

Widerstände bestimmen die Leistung elektrischer Geräte.

Elektrische Geräte müssen gekühlt werden.

Glühlampen (hier wird auf Kühlung verzichtet).

Elektronenstrahlröhren (Fernseher, Oszilloskop) als Anwendung der Vakuumleitung.

Auto-Lackierung,
Brennstoffzelle,
Batterie
und
Elektrolyse
als
Anwendungen
der
Flüssigkeitsleitung.

Mikrofone, Transformatoren, Generatoren und Dynamos als Anwendungen der elektro-
magnetischen Induktion / des Generatorprinzips.

Elektromagneten, elektrische Messgeräte, Elektromotoren, Lautsprecher als Anwendungen des
Motorprinzips.

Dioden als elektrische Gleichrichter.

Solarzellen und Leuchtdioden.

Transistoren als elektrische Schalter oder Verstärker.

Computerschaltkreise bestehen aus Tausenden winziger Schalter auf Halbleiterbasis.
Schlussbemerkungen
So, das war´s. Gar nicht eingegangen bin ich auf die zu den Größen gehörigen Maßeinheiten, ihre
Definitionen und Umrechnungen. Hierzu verweise ich auf Tafelwerk und Schulbücher. Grundsätzlich
muss man zu jeder Größe auch die Einheit auswendig lernen, sonst bekommt man früher oder
später Probleme.
Nicht immer war die Zuordnung der Inhalte zu den einzelnen Kapiteln so ganz einfach. Insbesondere
ist die Grenze zwischen Naturphänomenen und Naturgesetzen unscharf, da jede Beobachtung mit
Hilfe von Sprache formuliert wird, genau wie die Naturgesetze. Aber ich hoffe, dass die Übersicht
insgesamt enigermaßen sortiert erscheint und eurem Verständnis eher nützt als schadet .
H. Busboom
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