Allgemeines zur Elektrizität
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Allgemeines zur Elektrizität Seite 1 von 4 Allgemeines zur Elektrizität Jeder von uns kennt den Begriff "Elektrizität", aber nur wenige haben vom Wesen dieser eine klare Vorstellung, weil die Elektrizität nur an ihren Wirkungen sinnlich wahrnehmbar ist. Art der Wirkung Beispiel für die Wirkung der Elektrizität Licht Wärme Magentische Wirkung Chemische Wirkung Physiologische Wirkung Nun drängt sich einem geradezu die Frage auf: Was ist dann eigentlich "Elektrizität"? Diese Frage blieb lange Zeit unbeantwortet, obwohl diese Energieform schon Jahrzehnte vom Menschen in vielen Bereichen genutzt wurde. Erst die Erforschung des kleinsten Bausteines unserer Materie - des Atoms - öffnete das Tor zu diesem Geheimnis. Man fand, dass der elektrische Strom durch eine Bewegung von Elementarteilchen der Atomhülle, den sogenannten Elektronen, hervorgerufen wird. Diese Erkenntnis allein reicht aber nicht aus, um das Wesen der Elektrizität zu ergründen. Selbst die besten optischen Einrichtungen reichen aber nicht aus, diese Teilchen ihrer Kleinheit wegen sichtbar zu machen, weshalb man sich der Modellvorstellung bedient. So lässt Niels Bohr die Elektronen nach Art eines Planetensystems um den geladenen Atomkern kreisen, wobei die Umlaufbahnen der Elektronen durch elektrische Kräfte an verschiedene "Kugelschalen" gebunden sind. In ähnlicher Weise halten Gravitationskräfte die Planeten auf ihren Bahnen um die Sonne. Das einfachste Atom ist das Wasserstoffatom. Sein Atomkern besteht nur aus einem Proton, um das ein Elektron mit einer Geschwindigkeit von etwa 2000 km/s kreist. Zwischen dem Proton und dem Elektron sind starke elektrische Anziehungskräfte wirksam. Sie bestehen immer zwischen negativer und positiver elektrischer Ladung. Durch die Kreisbewegung wird auf das Elektron eine starke Fliehkraft ausgeübt, der die Anziehungskraft des Protons die Waage hält. Nur so ist eine ständige http://www.juergenhaller.com/2004/unterr/technik/Nut/Texte/allgemein.htm 07.10.2010 Allgemeines zur Elektrizität Seite 2 von 4 Kreisbewegung um den Atomkern denkbar. Die Atome der übrigen Elemente sind schwerer und haben mehr Protonen im Kern und mehr Elektronen, die diesen umkreisen. Zwischen den gleichnamig geladenen Protonen sind verständlicherweise starke abstoßende Kräfte wirksam. Der Kern müsste demzufolge auseinanderfallen. Das zu verhindern ist Aufgabe der Neutronen. Sie halten den Kern mit ungeheurer Kraft zusammen und wirken als "Kernleim". Wir wissen aus Erfahrung, dass nur ganz bestimmte Materialien zur Elektrizitätsleitung verwendet werden können. Es sind dies vor allem die Metalle: Kupfer, Aluminium, Silber und Gold, die sich aufgrund ihres Atomaufbaues besonders gut dazu eignen. Elektrizitätsleitung ist nur dann möglich, wenn die dazu verwendeten Stoffe über viele freie Ladungsträger (Elektronen) verfügen. Die zur Elektrizitätsleitung notwendigen Elektronen entstammen der äußersten Schale der Elektronenhülle. Sie werden als Valenzelektronen bezeichnet. Ihre Bindung an den Kern ist verhältnismäßig schwach, sodass sie sich leicht losreißen können. Sie wandern durch das Gefüge des Stoffes von einem Atom zum anderen und sind unter Spannung gesetzt, das, was wir als elektrischen Strom bezeichnen. Innenelektronen und Atomkern sind bei der Elektrizitätsleitung völlig unbeteiligt. Die vorstehende Abbildung zeigt das Bohrsche Atommodell von Kupfer. Wir wollen anhand dieses http://www.juergenhaller.com/2004/unterr/technik/Nut/Texte/allgemein.htm 07.10.2010 Allgemeines zur Elektrizität Seite 3 von 4 Modells den Leitungsvorgang erklären. Dazu sind jedoch einige Voraussetzungen notwendig. Nach Bohr kreisen die Elektronen auf naturgesetzlich festliegenden Bahnen. Eng aneinanderliegende Bahnen bilden mit den dazugehörigen Bahnelektronen eine Elektronenschale. Die Elektronenschalen werden mit den Buchstaben K, L, M, N, 0, P und Q bezeichnet. Sowohl die Bahnen als auch die Schalen können nur eine bestimmte Zahl von Elektronen aufnehmen. Kupfer, Silber und Gold, die besten Elektrizitätsleiter, haben ein gemeinsames Merkmal, das für die Elektrizitätsleitung von ausschlaggebender Bedeutung ist. Sie haben die äußerste Schale nur mit einem Elektron besetzt. Dieses Elektron ist bei Kupfer auf der N-Schale, bei Silber auf der O-Schale, bei Gold auf der P-Schale, also ziemlich weit vom Atomkern entfernt. Diese Einzelelektronen sind daher nur noch ganz schwach an den Kern gebunden und können sich deshalb fast nahezu frei als frei bewegliche Leitungselektronen durch das Metallgefüge bewegen. Die Leitungselektronen gehören somit keinem bestimmten Metallatom an. Die Metallatome sind daher keine neutralen Atome, sondern positive Ionen, die durch Metallbindungskräfte zusammengehalten werden. Solange am Leiter von außen keine Spannung anliegt, bewegen sich die Leitungselektronen regellos, weil sie durch die Metallatome, die aufgrund der Wärmebewegung milliardenmal in der Sekunde hin- und herschwingen, in die verschiedensten Richtungen gestoßen werden. Unter Spannungseinfluss erfahren sie jedoch eine gerichtete Bewegung und streben dem Pluspol zu, wobei die Fortbewegungsgeschwindigkeit, entgegen weitverbreiteter Meinung, sehr langsam ist; etwa 1 Millimeter pro Sekunde. Der elektrische Zustand, der die Elektronen zum Fließen veranlasst, breitet sich aber mit Lichtgeschwindigkeit (300000 km/s) aus. Das hohe elektrische Leitvermögen von Kupfer und sich ähnlich verhaltender Metalle ist auf die hohe Anzahl von Leiterelektronen begründet. So hat beispielsweise ein Kupferdraht von 1 Meter Länge und 1 Quadratmillimeter Querschnitt rund 85 Trilliarden ( = 85 mal 10 hoch 21) Kupferatome und folglich ebenso viele Leitungselektronen. Die Voraussetzung für den Stromfluss ist die elektrische Spannung. Elektrischer Strom kann daher als Ausgleich einer elektrischen Spannung http://www.juergenhaller.com/2004/unterr/technik/Nut/Texte/allgemein.htm 07.10.2010 Allgemeines zur Elektrizität Seite 4 von 4 verstanden werden. Zwischen zwei Polen herrscht, wie wir wissen, genau dann eine Spannung, wenn der eine Pol einen Überschuss an Elektronen gegenüber dem anderen Pol besitzt. Verbindet man beide Pole, so gleicht sich dieser Überschuss aus. Wenn ein elektrischer Strom fließt, wird also stets mehr oder weniger elektrische Spannung ausgeglichen. Die Einheit der elektrischen Spannung ist 1 Volt ( = 1V). Je mehr Leitungselektronen durch den Leiterquerschnitt fließen, desto stärker ist der elektrische Strom. Die Stromstärke wird im Ampere (A) angegeben. Fließt in einem Stromkreis ein Strom von 1 Ampere, dann bewegen sich pro Sekunde rund 6,25 Trillionen Elektronen durch den Leitungsdraht. Die Einheit der elektrischen Stromstärke ist 1 Ampere ( = 1A). Auf dem Wege durch den Drahtleiter werden die Elektronen in ihrer Bewegung stark behindert, weil es zu häufigen Zusammenstößen mit den Metallionen kommt. Es entsteht dabei ein mehr oder weniger starker Reibungswiderstand, den wir als elektrischen Widerstand bezeichnen. Beachte: In Schaltplänen wird grundsätzlich die technische Stromrichtung angegeben, also von (+) nach (-). Der Elektronenfluss bewegt sich physikalisch gesehen jedoch in entgegengesetzter Richtung von (-) nach (+). Die Festlegung der technischen Stromrichtung stammt noch aus einer Zeit, in der man die physikalischen Grundlagen noch nicht erforscht hatte. http://www.juergenhaller.com/2004/unterr/technik/Nut/Texte/allgemein.htm 07.10.2010
