Die Elektrizität, ein Naturgesetz

Ein Leben ohne Elektrizität ist heute unvorstellbar. Ohne könnten Sie die Worte, die ich hier schreibe, gar nicht lesen und in der Nacht wäre es dunkel, ja sogar sehr dunkel. Wir leben damit, nutzen sie rund um die Uhr, doch nur wenige wissen, was Elektrizität genau ist. Elektrizität gehört in den Bereich der Naturwissenschaften, denn es ist ein Naturgesetz, das so alt ist, wie unsere Erde, denn Elektrizität ist natürlich und kommt überall vor. Der Mensch kann sie erst seit etwas mehr als 200 Jahren auch nutzen.

Elektrizität gehört wirklich in den Bereich der Naturwissenschaften, denn die grössten elektrischen Energiequellen hält immer noch die Natur bereit. Diese ist so gewaltig, dass nur wenige Exemplare dieser Ereignisse unsere Energieprobleme für immer lösen könnten. Wir alle kennen diese Energiequellen, die sich bei einem Gewitter als Blitze entladen. Sie sind nichts anderes, als ein elektrisches Phänomen. Natürlich erzeugt und um vieles besser, als das was der Mensch bis jetzt kann.

Das Gewitter mit den Blitzen soll uns als Einstieg dienen. Diese Phänomene sind nicht so selten, wie man meinen könnte, denn Blitze entstehen sehr oft. Nur teilweise bekommen wir sie gar nicht zu sehen. Was bleibt ist dann ein dumpfes Grollen irgendwo in den Wolken. Nur, auch dann haben wir noch nicht alle Blitze, denn diese gibt es auch oberhalb der Wolken und die hören wir nicht einmal. Sie sehen, ein durchaus häufiges Ereignis.

Damit ein Blitz entstehen kann, müssen sich zwei Luftschichten unterschiedlich aufladen. Das heisst, es werden durch die Reibung der Wassermoleküle in den Wolken Bereiche geschaffen, die positiv sind und solche, die negativ sind. Die Protonen (+) und Elektronen (-) werden aus den einzelnen Atomen gelöst und sortiert. Damit ist zwar alles bereit, und trotzdem entsteht noch kein Blitz, da die unterschiedlichen Potenziale anfänglich nicht ausreichen. Täten sie das, gäbe es gar kein Blitz und Gewitter.

Sind die Differenzen zwischen den Wolken oder zwischen einer Wolke und der Erde gross genug, müssen diese Potentiale wieder ausgeglichen werden. Die Ladungen in den Wolken müssen daher wieder in die Erde oder eine andere Wolke abfliessen. Es kann auch umgekehrt sein, aber das ist selten. Man nennt das eine Entladung. Diese Entladung können wird nun optische sehen und akustisch hören, denn wir nennen sie Blitze.

Dieser Austausch der Ladungen erfolgt in einem gewaltigen Blitz. In dieser Zeit fliessen durch den Blitz Teile der Ladungen in die Erde ab. Die Potentiale werden wieder ausgeglichen. Diese Entladungen oder Blitze wiederholen sich, bis alle Ladungen wieder neutralisiert wurden. Es entsteht somit ein elektrischer Fluss der Elektronen oder ein geschlossener Stromkreis. Die Folge kennen wir es blitzt und donnert. Wobei der Donner von der erwärmten Luftschicht kommt.

Der Stromkreis: Elektrizität kann jedoch nicht einfach so auftreten. Damit man davon etwas merkt, braucht es einen Stromkreis,  in dem die Elektronen fliessen können. Bei einem Gewitter entsteht zwischen den Wolken ein Feld mit elektrischer Spannung, das dann mit dem Blitz verbunden wird. Der Stromkreis steht, weil die Ladungen von einem Punkt zum nächsten Punkt fliessen können. Dabei erkläre ich das am besten mit Wasser und den dort benötigten Leitungen. 

Diesen Kreislauf haben Sie vermutlich in der Schule gelernt. Es regnet, das Wasser fliesst die Bäche ab ins Meer, wo es wieder verdunstet, damit es wieder aus den entstandenen Wolken regnen kann. Wird dieser Kreis an einer Stelle unterbrochen, klappt das nicht mehr. Erreicht das Wasser nicht mehr das Meer, kann es nicht verdunsten und es regnet nicht mehr. Es funktioniert nur, wenn der Kreislauf geschlossen ist.

Genau nach diesem Prinzip funktioniert der Stromkreis. Erst wenn alles richtig verbunden ist, sind die Bedingungen erfüllt und die Elektrizität kann in Aktion treten. Dabei werden so genannte Ladungen oder Elektronen verschoben. Das ist nahezu der schwerste Teil der Geschichte. Die Teile von Atomen müssen ausgeglichen sein, damit man eine ruhige Situation hat. Nur lösen sich die Elektronen leicht durch Reibung. Beim Blitz fliessen sie wieder zurück.

In der Elektrizität nennt man diese unterschiedlichen Werte Ladungen. Dabei gibt es zwei Arten von Ladungen. Eine ist positiv (Protonen) und die andere ist negativ (Elektronen). Beim Gewitter in der Wolke und auf der Erde verteilt. Diese Ladungen wollen sich nun ausgleichen. Der Ausgleich der Ladungen erfolgt mit dem Blitz. In einem Stromkreis werden jedoch immer neue Ladungen erzeugt und der nächste Blitz entsteht. Daher entstehen in einem schweren Gewitter immer mehrere Blitze.

Solche elektrischen Ladungen entstehen, wenn sich Material reibt und sich so die darin enthaltenen Elektronen aus den Atomen lösen können. Es entsteht ein Überschuss an positiv geladenen Atomen. Das passiert bei trockener Luft, wenn Sie über einen entsprechenden Boden gehen. Davon merken Sie gar nichts, denn noch sind die Protonen und Elektronen getrennt. Im Gegenteil, Sie laden sich immer mehr auf.

Berühren Sie nun die Türfalle, oder den Wasserhahn, werden diese Elektronen durch den Metallkörper angezogen und somit entladen. Sie merken das dann mitunter recht schmerzhaft mit einem elektrischen Schlag. Bevor wir nun die Atomphysik wieder verlassen und uns einfacheren Themen zuwenden, muss ich noch erwähnen, dass das in den Wolken die Wassermoleküle genau so trifft. Dann entsteht zur Entladung ein Blitz. Sie erleben bei der Türfalle daher einen kleinen Blitzschlag.

Genau diese unterschiedlichen Ladungen und negativ geladenen Elektronen kommen beim nachfolgenden Absatz zum Zug, denn je grösser diese Ladung ist, desto grösser ist der Unterschied zwischen den beiden Polen. Diesen Unterschied kann man messen und die daraus entstehende Einheit behandeln wir nun, aber endgültig ohne Atomphysik, denn jetzt befinden wir uns im Bereich der einfacheren Naturwissenschaften und dort im Bereich Elektrizität.

Damit wir diese Elektrizität genau verstehen können, benötigen wir drei Faktoren. Diese Faktoren sind Spannung, Strom und Widerstand. Diese drei Begriffe sollten Sie sich merken, denn das sind die Grundbegriffe der Elektrizität. Ich stelle sie nun etwas genauer vor. Beginnen werde ich mit der Spannung, denn diese bemerken Sie bei der Türfalle und danach kommt der Strom, der Ihnen die Schmerzen bereitet. Da nützt Ihnen auch der beste Widerstand nichts.

Die Spannung: Der erste Wert, den wir anschauen, ist die Spannung. Sie wird in den Fachbüchern immer mit einem U abgekürzt. Warum das so ist, lassen wir sein. Uns soll reichen, dass es ein U ist. Die Spannung ist eine Angabe, die die Differenz zwischen zwei unterschiedlichen Ladungen abgibt. Besser erklären lässt sich die Spannung aber mit einer Wasserleitung. Dazu nehmen wir die Leitung, die sie bei sich zu Hause in der Küche haben.

Die Spannung ist nun der Druck, der in der Wasserleitung besteht. Dieser entsteht, weil das Reservoir in der Höhe gebaut wurde. Dieser Druck steht nun am Wasserhahn an. Davon bemerken wir nichts, denn der Druck ist  vorhanden. Es ist ähnlich wie bei einem Reifen. So lange dieser dicht ist, bleibt der höhere Druck im Reifen vorhanden. Es kann sich nicht ausgleichen. Genau das ist die Spannung bei der Elektrizität.

Habe ich zu viel versprochen, es ist doch sehr einfach und erst noch ohne Atomphysik. Die ganzen Fachausdrücke fehlen und auch sonst ist kein Fachchinesisch vorhanden. Wir wissen aber, dass die Spannung der Druck der elektrischen Leitung ist. Fachlich korrekt würde man von unterschiedlichem Potenzial sprechen, aber das lassen wir weg. Wichtig ist, dass die Spannung der Druck in der Leitung ist. Mehr brauchen wir nicht.

Nur, wie erkennt man einen Druck in einer Leitung? Indem man die Differenz zu einem bekannten Druck misst. Die normale Luft hat einen Druck, den wir kennen. Die komprimierte Luft einen um diesen Wert höheren Druck. Das ist beim Wasser genau gleich und auch bei der Elektrizität ist das so. Die Spannung kann daher gemessen werden. Das ergibt dann eine Zahl, die grösser oder kleiner ist. Die Zahl wird mit der Einheit Volt ergänzt.

Die Einheit Volt ist nach dem Entdecker der elektrischen Spannung benannt worden. Der am 18. Februar 1745 in Como geborene Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Graf von Volta erfand die Batterie und gilt als Begründer der Elektrizitätslehre. Mit seinem Schaffen legte der den Grundstein zur heutigen Elektrizität. Alessandro Volta starb am 05. März 1827 und hinterliess uns mit der Einheit Volt einen Wert für die elektrische Spannung.

Der Strom: Kommen wir nun zum Strom, der mit I abgekürzt wird. Auch jetzt bleiben wir bei der Wasserversorgung in Ihrer Küche. Im Gegensatz zu vorher, öffnen wir nun den Wasserhahn. Aus der Leitung fliesst nun Wasser. Sie merken vielleicht, wie es ins Glas strömt. Genau daraus entstand der Begriff Strom, denn der Strom ist die elektrische Strömung, wie Sie sie von einem Fluss kennen. So einfach kann Elektrizität sein.

Die Menge Wasser, die durch das Rohr fliesst, nennt man daher Strom. So auch bei dem Strom, den Sie vielleicht Rhein oder Mississippi nennen. Hier fliesst sehr viel Wasser durch. Der elektrische Strom ist deshalb nichts Geringeres als die Angabe der Durchflussmenge. Das soll genügen, denn mehr brauchen wirklich nur die Profis zu wissen. Wobei diese eigentlich auch nicht viel mehr vom Strom wissen. Sie können jedoch Messungen vornehmen.

Ein grosser Fluss hat eine bestimmte Durchflussmenge. Das sind vielleicht 450l/Minute oder noch mehr. Diese Werte haben Sie vermutlich schon gehört, oder an einem Teil abgelesen, das Sie Wasseruhr nennen, denn diese misst die Durchflussmenge Wasser. Bei der Elektrizität benutzt man dazu einen anderen Wert, der mit A abgekürzt wird. Dieses A haben Sie sicherlich schon bei einer Sicherung oder an einem Schalter gesehen. Das A steht für Ampère.

Bei der Einheit Ampère gedenkt man dem Entdeckter der elektrischen Stromstärke. Der Franzose André-Marie Ampère wurde am 20. Januar 1775 in Lyon geboren. Als Physiker und Mathematiker entdeckte er den elektrischen Stromfluss und wurde damit zu einem der grössten Mathematiker seiner Zeit. André-Marie Ampère starb am 10. Juni 1836 in Marseille und hinterliess uns die Einheit Ampère, die überall auf der Welt mit A abgekürzt wird.

Der Widerstand: Widerstand leisten vielleicht Ihre Kinder, wenn Sie zu Bett geschickt werden. Oder Sie, wenn Sie vom Staat zu etwas verknurrt werden, das Sie nicht vollen. Wer zahlt schon ohne zu murren eine Busse? Genau, Sie stellen sich mehr oder weniger dagegen. Genau das passiert bei der Elektrizität auch. Wir gehen deshalb wieder zu unserer Wasserleitung, die bisher einen Druck hatte, oder wo wir die Durchflussmenge feststellten.

In der Leitung fliesst das Wasser ungehindert, bis Sie mit dem Finger den Schlauch verstopfen. Das Wasser kann nun nicht mehr fliessen und spritzt seitlich an ihrem Finger vorbei. Sie bieten dem Wasser einen gewissen Widerstand. Je stärker Sie den Finger auf den Schlauch pressen, desto grösser ist der Widerstand, den Sie erzeugen und desto weniger Wasser kann fliessen. Den Druck in der Leitung merken Sie am Finger. Damit sind wir schon bei der Elektrizität angelangt.

Bei der Elektrizität sind das nicht Ihre Finger, sondern die verwendeten Materialien, diese bieten mehr oder weniger Widerstand. Dieser Widerstand wird mit R angegeben. Warum das so ist, ist wieder etwas für die Atomphysiker. Sie müssen nur wissen, dass jeder Werkstoff und so auch Sie, der Elektrizität einen gewissen Widerstand entgegen stellt. Ist der Wert klein, ist es ein guter Leiter. Es fliesst viel Wasser an ihrem Finger vorbei. Ist der Widerstand gross, reduziert sich diese Menge.

Die Masseinheit für den Widerstand ist Ohm. Wie, Sie haben das noch nie gesehen? Genau, angezeigt wird das nicht mit O oder Ohm, sondern mit dem griechischen Symbol Omega, das so aussieht Ω.  Auch hier ist die Masseinheit nach dem Entdecker benannt. Georg Simon Ohm wurde am 16. März 1789 in Erlangen geboren. Der deutsche Physiker wurde durch sein ohmsches Gesetz weltberühmt. Er starb am 6. Juli 1854 in München.

Ich verspreche es Ihnen, wir haben es gleich geschafft. Mit diesen drei Einheiten kann man sogar rechnen. Wie das geht, erkläre ich Ihnen nun und damit betrachten wir gleich das ohmsche Gesetz. Es geht dabei weniger darum, dass Sie in Zukunft einen Widerstand, einen Strom oder gar eine Atombombe berechnen können, vielmehr soll hier etwas ganz spezielles an diesen Werten aufgezeigt werden. Doch bevor wir das tun, eine kleine Tabelle zur Erinnerung.

 

  Spannung Widerstand Strom
Bezeichnung U R I
Masseinheit Volt Ohm Ampère
Zeichen V Ω A

 

Ist es Ihnen schon aufgefallen? Nicht, dann schreibe ich es noch ein wenig kürzer. U, R und I sind unsere Bezugspunkte. Haben Sie es immer noch nicht bemerkt, es ergibt URI. Uri kennen Sie. Wie, Sie haben keine Ahnung, was ich meine. Dann sind Sie vermutlich nicht über die Startseite hier her gelangt, denn dann hätten Sie vermutlich gelächelt, denn Uri ist der Kanton in der Schweiz, wo diese Worte geschrieben wurden.

Eine Eselsbrücke, die helfen kann, wenn man das ohmsche Gesetz vergessen haben sollte. Nun, damit Sie rechnen können, benötigen Sie noch die Formel oder das ohmsche Gesetz. Die Formel lautet:

U = R • I

Jetzt können Sie bereits einen Widerstand berechnen und auch die Berechnung des Stromes wird möglich. Es ist eine Grundformel der Elektrizität und hat sogar einen bestimmten Namen erhalten. Man nennt diese Formel das ohmsche Gesetz. Jeder, der mit Elektrizität arbeitet, wendet diese Formel an und selbst Ihr Computer wurde auf dieser Formel entwickelt, denn nur wer weiss, welchen Widerstand ein Bauteil benötigt, kann herausfinden, welche Spannung und welcher Strom vorhanden sind.

Wir drehen die Formel etwas um. So bekommen wir R=U/I. Jetzt gehen wir zum Gartenschlauch zurück. Dort fliesst das Wasser ungehindert. Der Druck in der Wasserleitung ist gesunken und die Durchflussmenge gross. Mit der Formel ergibt das einen geringen Widerstand, denn kaum Druck durch viel Wasser ergibt kaum Widerstand. Jetzt halten wir den Finger auf den Schlauch. Der Druck in der Leitung steigt an und die Durchflussmenge sinkt, der Widerstand steigt somit an.

Jetzt zur Kontrolle noch mit Zahlen. Der Druck im geöffneten Schlauch liegt bei 0. Die Wassermenge bei 10 l/min. Wenn wir nun rechnen, erhalten wir 0. Wir haben keinen Widerstand. Beim Finger steigt der Druck in der Leitung auf 2 bar an und die Durchflussmenge sinkt auf 1 l/min. Nun haben wir plötzlich einen Widerstandswert von 2. Selbst das ohmsche Gesetz geht mit der Wasserleitung auf, denn der Finger bietet dem Wasser einen Widerstand.

So, das war die Einführung in die Elektrizität. War doch ganz leicht. Trotz der Tatsache, dass die Elektrizität in den Bereich der Naturwissenschaften und dort sogar zum Teil noch in die Atomphysik gehört, war es nicht so schwer. Ach ja, seien Sie froh, dass Sie kein Fachmann sind, denn dann würde Ihnen das mit der Wasserleitung erklärt werden, denn die passt perfekt und selbst das ohmsche Gesetz haben wir dort angewendet.

Ach so, Sie haben immer wieder gelesen, dass an einem Gerät VA angeschrieben worden ist. Vermutlich haben Sie dann eine Modellbahn und es am Transformator abgelesen. VA ist nichts andere als die Spannung U mit dem Strom I multipliziert. Somit eigentlich der Spannungsstrom. Damit das deutlich wird, spricht man von Voltampère. Damit meint man nichts geringeres, als die elektrische Leistung. Mit dieser elektrischen Leistung kann man nun einen Motor betreiben.

 

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