Die Elektrizitätslehre, kurz Elektrik, ist ein Teilgebiet der Physik, das sich mit den Gesetzen und Wirkungen rund um elektrische Ladungen sowie mit elektrischen und magnetischen Feldern beschäftigt.
Jeder kennt das Wetterphänomen der Blitze bei einem Gewitter. Dass es sich dabei um elektrische Ladungen handelt, wissen allerdings nicht alle. Das liegt daran, dass Strom und Magnetismus mit dem bloßen Auge nicht sichtbar sind, wie können nur die Wirkungen einer Landung im Stromkreis wahrnehmen.
Und ohne elektrischen Strom funktioniert in unserem Alltag fast nichts mehr: Kühlschrank, Fernseher oder Computer sind nur drei Beispiele für elektrische Geräte, die unseren Alltag bestimmen. Die Elektrizitätslehre spielt also nicht nur im Physik-Unterricht an der Schule eine große Rolle, sondern auch im normalen Leben.
In diesem Artikel stellen wir euch die verschiedenen Teilbereiche vor, mit denen sich der Bereich beschäftigt, geben einen kurzen Überblick über die Geschichte und zeigen euch die wichtigsten Gesetze zu elektrischen Schwingungen.
Eine kurze Geschichte der Elektrizität
Heutzutage ist eine Welt ohne elektrische Leistung kaum vorstellbar! Aber das war nicht immer so, denn auch wenn Strom keine Erfindung der Menschen, sondern ein Naturphänomen ist, wussten die Menschen noch vor einigen hundert Jahren nicht von der Existenz von Strom. Damals wurden Naturphänomene wie Blitze, Donner oder Magnetismus als böse Zauberei und Aberglaube abgetan.
Die ersten wissenschaftlichen Erklärungsversuche dieser Phänomene finden ihren Anfang im 17. Jahrhundert, als der deutsche Ingenieur Otto von Guericke herausfand, dass sich durch Reibung Elektrizität erzeugen lässt. Um dies herauszufinden, musste der Erfinder eine drehbare Schwefelkugel entwickeln, die leuchtete, wenn man sie mit den Händen rieb.
Als Grundlage für die spätere Einteilung in positive und negative elektrische Ladung gelten die Erkenntnisse des französischen Forschers Charles du Fay, der 1733 feststellte, dass es zwei entgegengesetzte Formen der elektrischen Ladung gibt.
Auch das Phänomen des Blitzes konnte um die Zeit als natürliche Elektrizität wissenschaftlich erklärt werden und zwar dank des Drachenexperiments von Benjamin Franklin, durch das Zusammenhänge zwischen dem Auftreten des Naturphänomens und der atmosphärischen Ladung aufgestellt wurden.
Im Jahre 1772 fand der italienische Physiker Alessandro Volta heraus, dass Elektrizität durch elektrische Leiter fließt und erfand die erste Batterie, die sogenannte Voltasche Säule. Zum Ende des 18. Jahrhunderts hin wurde die Kraft zwischen zwei elektrischen Ladungen erstmals von Charles Augustin de Coulomb, nach dem auch das Coulomb-Gesetz bekannt ist, sowie weiteren Forschern beschrieben.
Im 19. Jahrhundert rückte dann der Zusammenhang zwischen Magnetismus und Elektrizität in den Fokus. André Marie Ampère erforschte diesen und erklärte als erster den Magnetismus durch molekulare Kreisströme. Nach ihm wurde das Ampere benannt, die Einheit der elektrischen Stromstärke.
Noch immer ist der Ursprung von Magnetfeldern im Universum ein ungelöstes Problem der Astrophysik.
Zu dieser Zeit erforschte der britische Physiker Michael Faraday elektromagnetische Schwingungen und gilt damit als Begründer der Elektrodynamik. Die von ihm entdeckte elektromagnetische Induktion spielt eine große Rolle bei der Leistung einer Spule in Generatoren und Elektromotoren. Im Jahre 1866 entwickelte Werner von Siemens schließlich die Dynamomaschine zur Nutzung von Strom zum Antrieb von Maschinen aufbauend auf den Erkenntnissen von Faraday.
Elektrische Ladung fließt also schon seit Jahrhunderten und Jahrtausenden, aber erst die letzten Jahrhunderte haben zu wichtigen Erkenntnissen über die Nutzung von Ladungen in der physikalischen Mechanik gesorgt.
Die wichtigsten Teilgebiete der Elektrizitätslehre
Wer sich an den Physikunterricht in der Schule zurückerinnert, der wird sich vielleicht auch daran erinnern, einen Stromkreis mit Schaltung und Batterie gebaut zu haben. Dabei fließt der Strom im Stromkreis über Reihenschaltung oder Parallelschaltung.
Um diese Grundlagen zu verstehen, muss man die verschiedenen Teilgebiete des Bereiches verstanden haben und miteinander verknüpfen. Wir zeigen euch, welche Teilgebiete es gibt, welche Einheit und Gesetz man kennen muss und was eigentlich ein Magnetfeld ist.
Elektrische Felder
Zu den absoluten physikalischen Grundlagen gehört, dass es zwei unterschiedliche Ladungsarten, nämlich die positive und negative Ladung gibt. Je nachdem, wie Atome und Teilchen in der Physik aufgeladen sind, wirken verschiedene Wechselwirkungen und die Atome sind im Widerstand zueinander oder ziehen sich an. Negativ geladene Teilchen nennt man Elektronen, positiv geladene nennt man Proton.
Die elektrische Spannung U ist dabei die Ursache für die Entstehung von Strom und Energie. Sie wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben und entspricht dem elektrischen Widerstand R und dem Strom I.
In einem Stromkreis werden elektrische Leiter in einem abgeschlossenen System so miteinander verbunden, dass der Strom fließt. Je nachdem, ob eine Reihenschaltung oder einem Parallelschaltung vorliegt, entsteht eine unterschiedliche Art von Widerstand.
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Ein Raum, in dem elektrische Wellen wirken, nennt man ein elektrisches Feld, in welchem durch elektrische Ladungen Strom erzeugt wird. Die elektrische Feldstärke ist dabei eine physikalische Größe zur Beschreibung von Feldern und wird definiert als der Quotient aus der elektrischen Kraft.
Die Feldstärke wird durch die Einheiten Newton, Coulomb oder Volt beschrieben.
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Magnetfeld
Anders als elektrische Felder besitz ein Magnet ein magnetisches Feld. Dabei sprechen wir nicht nur von normalen Magneten, wie man sie aus dem Werkzeugkasten oder dem Physikunterricht kennt, sondern auch die Erde hat ein Magnetfeld. Dieses Feld macht die Verwendung von Kompassen möglich.
Während man elektrische Felder in negative und positive Ladung einteilen kann, erfolgt die Einteilung bei einem Magnetfeld in Nord- und Südpol. Dieses Feld beschreibt den Wirkungsbereich eines Magneten und hat nicht nur magnetische Materialien als Ursache. Auch elektrische Ströme innerhalb einer Spule oder eine Veränderung im elektrischen Feld können für ein magnetisches Feld sorgen.
Das Auf- und Abschwingen von elektrischen und magnetischen Feldern beschreibt man als elektromagnetische Wellen, die eine bestimmte Wellenlänge haben kann. Das elektromagnetische Spektrum beschreibt, bei welcher Wellenlänge und Frequenz eine bestimmte Farbe sichtbar wird.
Elektromagnetische Energie spielt also auch bei der Optik in der Physik eine große Rolle.
Elektromagnetische Induktion
Die eben genannten Wellen spielen nicht nur für den Kompass oder die Optik eine Rolle, sondern auch bei der Entstehung elektrischer Spannung. Wenn du dich schon immer gefragt hast, wie ein Herd mit Induktion funktioniert, dann aufgepasst!
Durch ein sich veränderndes Magnetfeld an einem elektrischen Leiter entsteht die sogenannte Induktionsspannung. Die Bewegung eines elektrischen Leiters in einem Feld innerhalb einer Spule erzeugt also die Spannung, die es braucht, um einen Topf auf dem Herd zu erhitzen.
Hertzsche Wellen
Ein weiterer wichtiger Bereich der elektromagnetischen Energie sind die Hertzschen Wellen, die bei einer Wellenlänge zwischen 10 km und 1 cm zur Übertragung einer Frequenz im Bereich Radio, Rundfunk und Fernseher genutzt wird.
Je nachdem, wie der Bereich der Frequenz aussieht, können die Hertzschen Wellen auch für den Betrieb von Handys genutzt werden.
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Diese Anwendungsgebiete bietet die Elektrizitätslehre
Wenn du dich für die Entstehung von elektrischer Spannung begeistern kannst, dann lohnt sich vielleicht ein Studium der Physik, wo du die verschiedenen Teilgebiete im Detail besprichst.
Zahlreiche Universitäten und Hochschulen in Deutschland bieten die Möglichkeit, Physik zu studieren. Die Universitäten Heidelberg, Köln, München, Bonn oder Dresden sind bekannt für ihre Bachelor of Science Studiengänge in Physik. Aber auch die RWTH Aachen oder die TU in Berlin bieten diese Möglichkeiten. So bereitest du dich auf die Arbeit mit Stromzähler Anzeigen und Stromkästen vor.
Wer sich für Stromstärke und Ladungen interessiert, der kann auch eine Ausbildung zum Elektriker oder Mechatroniker in Betracht ziehen. Hier warten viele Möglichkeiten auf dich, denn es gibt zahlreiche Bereiche der Arbeit.
Elektrizität begleitet uns im Alltag und daher bietet dieses Teilgebiet auch zahlreiche Berufsmöglichkeiten. Sei es in der Forschung, wie durch Thermodynamik in der Physik Elektrizität erzeugt wird oder in der Entwicklung von Induktionsherden.
Als Elektroniker, ausgebildeter Physiker oder Mechatroniker kannst du in der IT-Branche, in der Industrie oder im Maschinenbau arbeiten. Licht, Heizung, Haushaltsgeräte, Technik, all das würde ohne Strom nicht funktionieren, weshalb qualifizierte Fachkräfte in diesem Bereich immer gesucht werden.
So informierst du dich über elektrische Spannung
Wenn du wissen möchtest, wie ein Kondensator oder eine Spule funktioniert, wie sich ein Stromkreis mit Reihenschaltung von einem mit Parallelschaltung unterscheidet oder was die Stromstärke Ampere genau aussagt, dann findest du online viel Literatur und interessante Artikel.
Die Grundlagen des Bereichs mitsamt spannender Fragen aus dem Alltag kannst du mit dem Fachbuch „Grundwissen Elektrizitätslehre: 5. bis 10. Klasse“ von Nabil Gad nachlesen. Hier wird Physik leicht erklärt!
Eine etwas umfassendere Aufarbeitung der einzelnen Teilgebiete bietet das Buch „Grundwissen Elektrotechnik und Elektronik: Eine leicht verständliche Einführung“ von Leonhard Stiny.
Und für besonders experimentierfreudige Menschen lohnt sich das Buch „Elektrizität und Magnetismus: Experimentalphysik – anschaulich erklärt“ von Achim Stahl, in dem du dich anhand zahlreicher spannende Experimente mit dem Thema auseinandersetzt.
Auch online findet man viele interessante Artikel zum Thema Feldstärke und Kapazität, die es auch oft mit Downloads gibt. Sehr zu empfehlen sind die Seiten von LEIFIphysik und Studyflix, wo du nicht nur hilfreiche Artikel und Formel Sammlungen findest, sondern oft auch anschauliche Videos zu bestimmten Themen.
Wenn du gerne einen Artikel zu einem speziellen Thema lesen möchtest, lohnt sich ein Blick auf die Webseiten von Quarks&Co oder GEO. Hier findest du oft auch interessante Experimente zum Nachbauen und die Arbeit mit Einheiten und Anzeigen, ob magentische oder nicht, macht großen Spaß.
Das Feld der Elektrizitätslehre gehört zu den Teilgebieten der Physik, dem wir in unserem Alltag ständig begegnen. Es lohnt sich also, sich damit zu beschäftigen, um zum Beispiel zu verstehen, was passiert, wenn ein Föhn in die Badewanne fällt.
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