Elektrizität umgibt Dich ständig. Egal, ob es eher offensichtlich ist wie beim Laden des Smartphones, der Lampe oder der Mikrowelle oder etwas versteckt wie zum Beispiel beim Starten des Autos oder dem Radiosignal. Ohne Strom funktioniert heutzutage fast nichts mehr. Umso wichtiger ist es, sich mit der Elektrizitätslehre und den Grundlagen auseinanderzusetzen. Denn, ob Du es magst oder nicht, an der alltäglichen Verwendung von Elektrizität wird sich so bald vermutlich nichts ändern.
Elektrizitätslehre Definition
Was genau verbirgt sich hinter der Elektrizitätslehre? Die Antwort zum Begriff der Elektrizitätslehre ist leider nicht sonderlich spektakulär:
Die Elektrizitätslehre ist die Lehre von der Elektrizität.
Für eine thematische Zusammenfassung der Elektrizitätslehre könntest Du wie folgt vorgehen:
Elektrizitätslehre Zusammenfassung & Mindmap
Ein „Elektrischer Stromkreis“ bildet oft die Grundlage, wenn es um Elektrizität geht. Diesen kannst Du für verschiedene „Elektrische Bauteile“ mithilfe der Größen „Elektrischer Strom“ und „Elektrische Spannung“ erklären. Ebenso kannst Du einen Stromfluss auch als bewegte „Elektrische Ladung“ beschreiben.
Dem zugrunde liegen „Elektromagnetische Felder“, die oftmals eine Antwort auf das „Warum funktioniert etwas genau so?“ bieten. Der Zusammenschluss von elektrischem und magnetischem Feld über „Elektromagnetische Induktion“ wird insbesondere für „Elektromagnetische Schwingungen“ – erzeugt über einen „Wechselstromkreis“ – genutzt.
All diese Themen hängen dabei stark zusammen und können nicht immer klar getrennt oder eingeteilt werden. Eine Mindmap zu erstellen kann Dir dabei helfen, einen Überblick der groben Zusammenhänge zu bekommen, wobei es aber keine geregelte Struktur für die Elektrizitätslehre gibt.
Zu all diesen Themen findest Du genauere Erklärungen, die sich tiefergehend damit beschäftigen.
Was aber ist denn überhaupt die Grundlage dafür, dass es Elektrizität gibt?
Elektrizitätslehre Grundlagen
Denkst Du an Elektrizität, dann denkst Du vielleicht an Strom und Spannung. Sie bilden aber tatsächlich nicht die Grundlage der Elektrizitätslehre, sondern entstehen beide nur aufgrund von elektrischen Ladungen.
Elektrische Ladung
Jedes Atom – also das Teilchen, mit dem die meisten natürlichen Vorgänge erklärt werden können – besteht aus noch kleineren Teilchen, die elektrische Ladungen tragen (Ladungsträger). Unter der elektrischen Ladung kannst Du Dir dabei eine Grundgröße von Teilchen vorstellen (wie die Masse).
Die elektrische Ladung \(Q\) (\(q\) für räumlich kleine Ladungen) ist eine physikalische Größe und gibt eine Eigenschaft von Teilchen (Ladungsträgern) wieder. Im Allgemeinen gibt sie an, ob Elektronen fehlen (positive Ladung) oder ein Elektronenüberschuss (negative Ladung) besteht.
Jede elektrische Ladung ist ein Vielfaches der Elementarladung \(e\) und kann positiv sowie negativ sein, wobei sich gleichnamige Ladungen (positiv + positiv, negativ + negativ) gegenseitig abstoßen und ungleichnamige Ladungen (positiv + negativ) einander anziehen.
Die Existenz und Größe der Elementarladung wurde mithilfe des sogenannten „Millikan-Versuch“ nachgewiesen, über den Du mehr in der gleichnamigen Erklärung erfährst. Sie ist genauso groß wie die negative Ladung eines Elektrons. Anders gesagt: Die Ladung eines Elektrons ist genau \(-1e\). Solch räumlich kleine elektrische Ladungen werden oft als Punktladung dargestellt.
Die Punktladung ist ein Modell zur Darstellung räumlich kleiner Ladungsträger (wie Elektronen). Dabei wird davon ausgegangen, dass der Ladungsträger keine räumliche Ausdehnung besitzt. Somit befindet sich die elektrische Ladung in einem einzelnen Punkt.
Obwohl es Punktladung heißt, wird sie mithilfe eines Kreises und einem Plus- bzw. Minuszeichen gezeichnet, um die Ladung darzustellen. Ein Elektron wäre also ein kleiner Kreis mit einem Minus. Wie genau das aussieht, zeigt Dir die Erklärung zur Punktladung.
Wie hängt die elektrische Ladung nun mit Strom und Spannung zusammen?
Elektrische Größen im Stromkreis
Betrachtest Du elektrische Stromkreise, dann kommst Du an Strom und Spannung meist nicht vorbei. Hinter dem Strom verbergen sich dabei bewegte Teilchen.
Ein elektrischer Strom \(I\) ist die Bewegung elektrischer Ladungsträger. Betrachtest Du positive Ladungsträger, sprichst Du von der technischen Stromrichtung (von + nach -). Andersherum, bei negativen Ladungsträgern, geht es um die physikalische Stromrichtung (auch Elektronenrichtung genannt, von - nach +).
Im Allgemeinen bewegen sich beim elektrischen Strom Elektronen entgegengesetzt der technischen Stromrichtung – also in Elektronenrichtung, daher auch die Bezeichnung – durch einen Leiter. Elektrischer Strom fließt aber nicht, weil er etwa „Lust“ darauf hat. Er benötigt stets einen Antrieb: die elektrische Spannung.
Elektrische Spannung \(U\) ist der „Antrieb“ eines Stromflusses. Je größer die Spannung und kleiner der Widerstand, den Ladungsträger überwinden müssen, desto größer der Stromfluss.
Der Weg einer elektrischen Ladung durch einen elektrischen Leiter wird durch den Leiter an sich stark eingegrenzt. Die Ladungsträger stoßen dabei stets gegen andere Teilchen im Leiter. Das führt zu einer Bewegung der Teilchen, wodurch Wärme entsteht. Ein Stromfluss ist somit immer auch mit Wärme verbunden. Je nach elektrischem Bauteil wird der Strom dabei mehr oder weniger beim Fließen gehindert.
Das kannst Du Dir anhand einer Glühlampe vorstellen.
Legst Du eine Spannung an einen metallischen Leiter (etwa Draht der Glühlampe) an, werden die freien Elektronen des Metallgitters in Richtung des Pluspols beschleunigt. Je größer die Spannung, desto stärker werden sie beschleunigt. Bei der Bewegung stoßen die Elektronen jedoch ständig an die festen Atomrümpfe des Metalls. Die Atome beginnen daher zu schwingen, also sich auf der Stelle zu bewegen.
Betrachtest Du Teilchen, dann entspricht Bewegung auch gleichzeitig kinetischer Energie. Diese kinetische Energie äußert sich in Wärme. Eine Glühlampe nutzt diesen Effekt, um durch den elektrischen Strom so viel Wärme zu erzeugen, dass der Draht anfängt zu glühen und schließlich zu leuchten.
Damit sich elektrische Ladungsträger in Bewegung versetzen können, muss eine Kraft wirken. Diese entspringt aus den elektromagnetischen Feldern.
Elektromagnetische Felder
Bei den elektromagnetischen Feldern geht es um das elektrische und das Magnetfeld, insbesondere um deren Auswirkungen aufeinander.
Unter elektromagnetischen Feldern verstehst Du den Zusammenschluss und die Interaktion von elektrischem und magnetischem Feld.
Die Erklärung „Elektromagnetische Felder“ gibt Dir einen erweiterten Überblick über die Möglichkeiten und Errungenschaften der Menschheit aufgrund dieses Kernthemas der Elektrizitätslehre.
Solche Felder haben einen Einfluss auf elektrische und magnetische Geräte. Ein „Faradayscher Käfig“ dient als Abschirmung elektromagnetischer Felder und wird bei der Mikrowelle angewandt.
Wie genau? Das zeigt Dir die Erklärung „Mikrowelle Physik“. Mehr zum Prinzip erfährst Du bei „Faradayscher Käfig“.
Damit ein elektromagnetisches Feld entstehen kann, muss zunächst ein elektrisches Feld vorliegen.
Elektrisches Feld
Die Wirkung, dass sich elektrische Ladungen anziehen oder abstoßen, kannst Du nicht direkt sehen, dennoch gibt es sie. Dieses unsichtbare Zusammenspiel ist das elektrische Feld.
Das elektrische Feld der elektrischen Feldstärke \(E\) beschreibt die Auswirkungen elektrischer Ladungen untereinander. Es entspringt aus und endet stets in einer elektrischen Ladung. Liegt eine elektrische Ladung vor, bildet sich auch immer ein elektrisches Feld.
Somit kannst Du eine elektrische Spannung auch mit einem Unterschied im elektrischen Feld beschreiben. Je nachdem, wie groß die Feldunterschiede sind, desto größer ist auch die elektrische Spannung und somit die Wirkung, die eine elektrische Ladung bewegt.
Wie Du Dir das elektrische Feld vorstellen kannst und wie Du daraus auf die elektrische Spannung und elektrische Kraft kommst, erfährst Du in den Erklärungen „Elektrisches Feld“ sowie dessen Unterthemen, insbesondere „Coulombkraft“.
Wenn also elektrische Spannung und somit elektrischer Strom mit dem elektrischen Feld beschrieben werden können, woher kommt dann die magnetische Wirkung eines Elektromagneten, wenn er stromdurchflossen ist?
Magnetfeld
Wird ein elektrischer Leiter von einem Strom durchflossen, kommt es zu einem grundsätzlichen physikalischen Phänomen.
Jede bewegte elektrische Ladung bildet ein sie umgebendes Magnetfeld aus. Somit bildet auch jeder stromdurchflossener Leiter (Stromfluss = bewegte Ladungsträger) ein Magnetfeld aus. Das ist die Grundlage des Elektromagnetismus.
Ein elektrischer Strom bewirkt also ein Magnetfeld. Die häufigste Anwendung dafür ist der Elektromagnet. Es gibt aber auch den Dauermagnet. Dieser besteht aus bestimmten Materialien, die selbst magnetische Eigenschaften besitzen und unter komplizierten Herstellungsprozessen verstärkt und ausgerichtet werden.
Zu beiden Magneten gibt es bei „Elektromagnet“ und „Dauermagnet“ entsprechende Erklärungen, die deren Funktionsweise, Nutzen und Herstellung erläutern.
Was ist aber ein Magnetfeld?
Das Magnetfeld der Magnetfeldstärke \(H\) beschreibt die magnetische Wirkung eines Magneten im ihn umgebenden Raum. Ein Magnetfeld besitzt keinen Anfang und kein Ende und erstreckt sich durch den Magneten selbst.
Die gezielte Nutzung von Magnetfeldern findest Du nicht nur beim Elektromagnet, sondern insbesondere bei Spulen. Das sind speziell gewundene Leiter, die bei einem Stromfluss ein starkes Magnetfeld hervorrufen, das dann genutzt wird.
Die Spule selbst ist somit eine Anwendung elektromagnetischer Felder, da sie aus der Wirkung eines elektrischen Feldes – aus dem Stromfluss – ein Magnetfeld bildet. Elektrische Felder können also Magnetfelder beeinflussen. Geht das auch in die andere Richtung?
Elektromagnetische Induktion
Da jede bewegte elektrische Ladung ein Magnetfeld hervorruft, kann entsprechend ein anderes Magnetfeld auch eine Wirkung auf jede bewegte elektrische Ladung (Stromfluss) erzielen. Die elektrische Ladung muss sich nicht unbedingt bewegen, solange sich das Magnetfeld um sie ändert.
Verändert sich das Magnetfeld um eine elektrische Ladung, wirkt die sogenannte Lorentzkraft auf die elektrische Ladung. In einem Leiter kommt es dadurch zu einer Ladungstrennung und somit einer elektrischen Spannung, der Induktionsspannung. Dieses Phänomen nennst Du elektromagnetische Induktion (in der Elektrizitätslehre oft als Induktion abgekürzt).
Die elektromagnetische Induktion wird beim Generatorprinzip angewandt. Dabei dreht sich eine Spule im Magnetfeld, es kommt zur Induktion und aus der Drehung der Spule wird eine elektrische Spannung gewonnen. Drehst Du das Prinzip um, hast Du einen Elektromotor gebaut.
Zu den jeweiligen Anwendungen findest Du mehr Informationen bei „Generator Physik“ oder „Elektromotor“.
Die Induktion ermöglicht es außerdem, elektromagnetische Schwingungen hervorzurufen.
Elektromagnetische Schwingungen
Eine Schwingung kennst Du vielleicht aus der Mechanik.
Du kannst etwa ein Pendel zum Schwingen bringen. Dabei ändern sich periodisch die Geschwindigkeit und Auslenkung des Pendels. Ist die Auslenkung maximal, dann ist die Geschwindigkeit minimal. Daraufhin wird das Pendel wieder beschleunigt, bis die Auslenkung minimal ist. Danach wird das Pendel wieder maximal ausgelenkt u.s.w.
Geschwindigkeit und Auslenkung interagieren und wechseln sich ständig ab.
So ähnlich ist das bei der elektromagnetischen Schwingung, wobei die Größen die elektrische und magnetische Feldstärke sind.
Bei einer elektromagnetischen Schwingung schwingen elektrische und magnetische Feldstärke periodisch miteinander. Diese Schwingung breitet sich im Raum als elektromagnetische Welle aus.
Damit eine solche Schwingung gezielt entstehen kann, wird Wechselspannung benötigt. Bestimmte elektrische Bauteile erhalten dadurch veränderte Eigenschaften.
Mithilfe einer besonderen Schaltung, dem Hertzschen Dipol, kann die elektromagnetische Schwingung als elektromagnetische Welle nicht nur gesendet, sondern auch empfangen werden. Das ist die grundsätzliche Funktionsweise von Antennen, wie sie bei Radio oder WLAN Anwendung finden. Elektromagnetische Schwingungen bilden somit den Grundbaustein der modernen Informationsübertragung.
Mehr zum Thema allgemein bietet Dir die Erklärung „Elektromagnetische Schwingungen“. Wie diese gezielt hervorgerufen werden, findest Du bei „Hertzscher Dipol“ heraus.
Elektrizitätslehre – Das Wichtigste
- Die Elektrizitätslehre ist die Lehre von der Elektrizität.
- Du kannst sie grob in „Elektrische Ladung“, „Elektrischer Stromkreis“, „Elektromagnetische Felder“ und „Elektromagnetische Schwingungen“ unterteilen.
- Die elektrische Ladung ist eine physikalische Eigenschaft von Teilchen. Sie kann positiv als auch negativ sein.
- Einen elektrischen Stromkreis beschreibst Du mithilfe von Strom und Spannung.
- Ein elektrischer Strom ist die Bewegung von Ladungsträgern.
- Der Antrieb des elektrischen Stroms ist die elektrische Spannung – ohne Spannung kein Strom.
- Je größer die Spannung und kleiner der Widerstand, den Ladungsträger überwinden müssen, desto größer der Stromfluss. (Ohmsches Gesetz)
- Elektromagnetische Felder sind der Zusammenschluss von elektrischen und magnetischen Feldern.
- Jede elektrische Ladung bildet ein elektrisches Feld aus, das die Auswirkungen elektrischer Ladungen untereinander beschreibt.
- Eine bewegte elektrische Ladung (ein stromdurchflossener Leiter) bildet außerdem ein Magnetfeld aus. Das Magnetfeld beschreibt die Auswirkungen von Magneten aufeinander.
- Wird das Magnetfeld um eine elektrische Ladung verändert, so wirkt die Lorentzkraft auf diese Ladung. In Leitern entsteht dabei eine elektrische Spannung. Das Phänomen heißt Elektromagnetische Induktion.
- Bei einer elektromagnetischen Schwingung schwingen elektrische und magnetische Feldstärke periodisch miteinander. Diese Schwingung breitet sich im Raum als elektromagnetische Welle aus. Diese werden genutzt, um Informationen zu transportieren (Radio, WLAN).
Nachweise
- Technische Universität Dresden Professur für Grundlagen der Elektrotechnik (2013). Grundlagen der Elektrotechnik. iee.et.tu-dresden.de (25.11.2014)
- Technische Universität Dresden Professur für Grundlagen der Elektrotechnik (2013). Elektrische und magnetische Felder. iee.et.tu-dresden.de (18.05.2015)
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