Elektrizität

Grundbegriffe und Funktionsweise

Elektrizität ist der physikalische Oberbegriff für Erscheinungen, die durch ruhende oder bewegte elektrische Ladungen verursacht werden. Dazu gehören beispielsweise Blitze, elektrische Ströme und magnetische Wirkungen. Elektrizität ist ein Teilgebiet des Elektromagnetismus; ihre zugrunde liegende Grundkraft ist die elektromagnetische Wechselwirkung.

Die elektrische Ladung ist eine Eigenschaft bestimmter atomarer Teilchen. Elektronen sind negativ, Protonen positiv geladen; solche Teilchen heißen Ladungsträger. Ladung wird in Coulomb gemessen. Die Bezeichnungen „positiv“ und „negativ“ sind willkürlich gewählt. Entscheidend ist: Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.

Elektrischer Strom ist die Bewegung elektrischer Ladungsträger und wird in Ampere gemessen. Bewegte Ladungen erzeugen magnetische Felder. Elektromagnetische Felder können sich auch unabhängig von elektrischen Leitern im Raum ausbreiten.

Ein elektrisches Feld beschreibt den durch elektrische Ladungen beeinflussten Zustand des Raumes. Wichtige Größen sind die elektrische Feldstärke und das elektrische Potential. Die elektrische Spannung ist als Potentialdifferenz definiert und wird üblicherweise in Volt gemessen.

Vorgänge ohne zeitliche oder ohne wesentliche zeitliche Änderung gehören zur Elektrostatik. Sind zeitliche Änderungen wesentlich, spricht man von Elektrodynamik.

Bedeutung im Alltag und für die Technik

Elektrische Energie ist für den heutigen Alltag nahezu unentbehrlich. Sie wird fast immer in Kraftwerken erzeugt und durch Stromnetze verteilt. Dennoch hatten 2023 weltweit etwa 666 Millionen Menschen keinen Zugang zu elektrischer Energie. Seit über einem Jahrhundert prägen Anwendungen wie elektrisches Licht, Wärme und Antriebskraft das menschliche Leben. Besonders wichtig ist Elektrizität außerdem für Kommunikations- und Informationstechnologien.

In der Natur erscheint Elektrizität nicht nur als Blitz. Nervensysteme von Lebewesen übertragen Informationen mithilfe sehr kleiner elektrischer Spannungen. Auf den menschlichen Körper wirkt Strom je nach Stromstärke und Einwirkdauer unterschiedlich. Ströme ab etwa 30 mA können gefährlich sein und Atemlähmung oder Herzstillstand verursachen.

Die Elektrotechnik ist der Bereich der Ingenieurwissenschaften und Technik, der sich mit Elektrizität befasst. Zu ihren Gebieten gehören elektrische Energietechnik, Regelungs-, Steuerungs- und Messtechnik, Elektronik, Mikro- und Nanoelektronik, Automatisierungs-, Nachrichten- und Hochfrequenztechnik. Ihr theoretisches Fundament bildet die theoretische Elektrotechnik.

Elektrische Energie lässt sich durch Hochspannungsleitungen transportieren und leicht in mechanische Arbeit, Wärme, Licht oder Schall umwandeln. Sie ist jedoch nur schlecht direkt speicherbar. Zur Speicherung muss sie in andere Energieformen überführt werden, etwa in chemische Energie in Akkumulatoren oder in potentielle Energie in Pumpspeicherkraftwerken. Die Elektrizitätswirtschaft ist der Teil der Energiewirtschaft, der sich mit allen wirtschaftlichen Aspekten der Elektrizität beschäftigt.

Elektrisches Verhalten von Festkörpern

Festkörper ohne oder mit nur geringer elektrischer Leitfähigkeit werden danach eingeordnet, wie sie sich in elektrischen und magnetischen Feldern verhalten. Entscheidend sind elektrische Dipole, also Strukturen mit räumlich getrennten positiven und negativen Ladungsschwerpunkten, sowie deren Ausrichtung.

Bei einem Dielektrikum liegen zunächst keine elektrischen Dipole vor. Ein äußeres elektrisches Feld kann sie jedoch erzeugen; sie richten sich in Feldrichtung aus und verschwinden nach Abschalten des Feldes wieder. Die relative elektrische Permittivität erfüllt ε_r > 1. Jede Form von Materie – fest, flüssig oder gasförmig – ist dielektrisch.

Ein Paraelektrikum besitzt orientierbare Dipole, aber keine stabile langreichweitige Ordnung. Ein äußeres Feld richtet die Dipole aus; nach dem Abschalten verschwindet die Polarisation wieder. Auch hier gilt ε_r > 1. Anders als beim dielektrischen Fall ist die Permittivität temperaturabhängig. Auch Flüssigkeiten und Gase können paraelektrisch sein.

In einem Ferroelektrikum sind alle Dipole parallel ausgerichtet. Deshalb bleibt nach dem Entfernen des äußeren Feldes eine Polarisation bestehen. Ferroelektrika gehören zugleich zu den Piezoelektrika. In einem Antiferroelektrikum sind die Dipole in zwei Untergittern antiparallel angeordnet. Da beide Polarisationen gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind, besitzt der Stoff außerhalb eines Feldes keine Gesamtpolarisation. Beim Ferrielektrikum sind die Untergitter ebenfalls antiparallel, ihre Polarisationen sind aber unterschiedlich groß. Daher bleibt wie beim Ferroelektrikum eine Polarisation bestehen.

Ferro-, Ferri- und Antiferro- bezeichnen verschiedene Formen langreichweitiger Dipolordnung. Bereiche mit gleicher Ordnung heißen Domänen. Viele dieser Festkörper besitzen bei hoher Temperatur eine paraelektrische Phase. Ein ausreichend starkes äußeres Feld kann die Dipolrichtung umkehren. Dadurch entsteht eine Hysterese, anhand deren Form die Materialarten unterschieden werden können.

Naturwissenschaftliche Teilgebiete

Mehrere Teilgebiete der Physik und Chemie untersuchen elektrische Erscheinungen:

• Die Elektrostatik behandelt ruhende Ladungen, Ladungsverteilungen und die elektrischen Felder geladener Körper.

• Die klassische Elektrodynamik untersucht zeitlich konstante magnetische Felder, zeitlich veränderliche elektrische und magnetische Felder sowie elektromagnetische Wellen.

• Die Quantenelektrodynamik, kurz QED, erweitert die klassische Elektrodynamik um die quantenfeldtheoretische Beschreibung des Elektromagnetismus.

• Die Festkörperphysik beschreibt unter anderem Ladungen in Leitern, Halbleitern und Nichtleitern sowie Thermo-, Pyro- und Piezoelektrizität.

• Die Elektrochemie untersucht den Zusammenhang zwischen elektrischen und chemischen Vorgängen, wie er etwa in Batterien und Akkumulatoren auftritt.

Entwicklung der Erforschung und Nutzung

Elektrische Naturerscheinungen waren schon früh bekannt. Um 2750 v. Chr. kannte man im alten Ägypten die elektrischen Schläge von Zitterrochen oder Zitteraal. Um 600 v. Chr. beschrieb Thales von Milet die elektrostatische Anziehung geriebenen Bernsteins. Die sogenannte Bagdad-Batterie aus dem 1. Jahrhundert v. Chr. konnte in modernen Versuchen mit Traubensaft als Elektrolyt 0,5 V liefern; ob solche Gefäße tatsächlich als Batterien verwendet wurden, ist umstritten.

William Gilbert untersuchte elektrische Aufladung systematisch und führte 1600 die Bezeichnung „Electrica“ ein. Otto von Guericke entwickelte um 1663 eine reibbare Schwefelkugel, Francis Hauksbee 1706 eine Reibungselektrisiermaschine mit Glaskugel. Charles du Fay erkannte 1733 zwei entgegengesetzte Ladungsformen. Pieter van Musschenbroek erfand 1745 unabhängig von und ein Jahr nach Ewald Jürgen Georg von Kleist die Leidener beziehungsweise Kleistsche Flasche, den ersten Kondensator zur Speicherung elektrischer Ladung. Benjamin Franklin stellte um 1752 den Zusammenhang mit atmosphärischer Elektrizität her und erfand den Blitzableiter.

Luigi Galvani beobachtete um 1770 elektrisch ausgelöste Zuckungen an Froschschenkeln. Alessandro Volta erfand 1775 das Elektrophor und fünfzehn Jahre später die Voltasche Säule aus Kupfer, Zink und einem Elektrolyten. Sie erzeugte Gleichspannung aus chemischer Energie ohne Reibung. Ende des 18. Jahrhunderts beschrieben mehrere Forscher unabhängig voneinander das Coulomb-Gesetz für die Kraft zwischen zwei Ladungen. Georg Simon Ohm formulierte später den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung an linearen Widerständen, das ohmsche Gesetz. Am 2. Mai 1800 zerlegten William Nicholson und Anthony Carlisle Wasser durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff und entdeckten damit die Elektrolyse.

Um 1820 beobachtete Hans Christian Ørsted die Ablenkung einer Magnetnadel durch Strom. André-Marie Ampère beschrieb den Zusammenhang zwischen Stromstärke und magnetischer Wirkung. Michael Faraday formulierte das Induktionsgesetz und Gesetze der Elektrolyse. James Clerk Maxwell vereinigte 1864 die Erscheinungen ruhender und bewegter Ladungen in den Maxwell-Gleichungen. Er folgerte daraus elektromagnetische Wellen und erkannte Licht als deren Erscheinungsform.

Ab etwa 1830 begann die breite technische Nutzung. 1832 gelang Hippolyte Pixii und Salvatore Dal Negro unabhängig voneinander die elektromechanische Stromerzeugung. Gauß und Weber betrieben 1833 den ersten elektromagnetischen Telegrafen; mit der Linie Baltimore–Washington begann 1844 die elektrische Kommunikation über große Entfernungen. 1882 entstand die 57 km lange Gleichstromleitung Miesbach–München. Nikola Tesla und George Westinghouse etablierten ab 1886 die Wechselstromübertragung; 1891 folgte mit Lauffen–Frankfurt die Übertragung von Dreiphasenwechselstrom über 176 km.

Im 20. Jahrhundert wurde Maxwells Theorie zunächst relativistisch und dann zur Quantenelektrodynamik erweitert. Shin’ichirō Tomonaga, Julian Schwinger und Richard Feynman erhielten dafür 1965 den Nobelpreis für Physik. Technisch wichtig waren unter anderem Ferdinand Brauns Kathodenstrahlröhre von 1897, Heike Kamerlingh Onnes’ Beobachtung der Supraleitung 1911 und der Mitte des 20. Jahrhunderts von Walter H. Brattain, John Bardeen und William Shockley entwickelte Transistor. Dieser wurde zur Grundlage integrierter Schaltungen und der Computertechnik.