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.
Was gehört zur Elektrizitätslehre?
Die Elektrizitätslehre beschäftigt sich mit weit mehr als nur mit Strom aus der Steckdose. Zu ihr gehören elektrische Ladungen, Stromkreise, Spannung und Widerstand, aber auch elektrische und magnetische Felder, die Umwandlung elektrischer Energie sowie elektromagnetische Induktion
🔋 Elektrische Ladungen und Elektrostatik: Wie sich positive und negative Ladungen verhalten
🔌 Stromkreise: Wie elektrischer Strom durch Leitungen und Bauteile fließt
📏 Spannung, Stromstärke und Widerstand: Die wichtigsten Größen zur Beschreibung eines Stromkreises
💡 Elektrische Energie und Leistung: Wie elektrische Energie übertragen und in Licht, Wärme oder Bewegung umgewandelt wird
🧲 Elektrische und magnetische Felder: Wie Ladungen, Ströme und Magnete Kräfte ausüben
⚙️ Elektromagnetische Induktion: Wie durch veränderliche Magnetfelder elektrische Spannung entsteht
📡 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen: Die Grundlage unter anderem für Funktechnik, WLAN und Licht
Wenn du dann noch tiefer in die Themen einsteigst, geht es außerdem um Wechselstrom, elektromagnetische Schwingungen und Wellen. Viele dieser Bereiche hängen eng zusammen und erklären gemeinsam, wie elektrische Geräte und technische Systeme funktionieren.
Schauen wir uns die wichtigsten Teilbereiche einmal gemeinsam an:
Elektrische Ladung und Elektrostatik
Am Anfang der Elektrizitätslehre steht die elektrische Ladung. Dabei gibt es zwei Ladungsarten: Elektronen tragen eine negative, Protonen eine positive Ladung. 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.
Für ihre Wechselwirkung gilt eine einfache Regel: Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.
Das kennst du bestimmt: Reibst du zum Beispiel einen Luftballon an deinen Haaren, können Elektronen von einem Material auf das andere übergehen.
Ballon und Haare sind anschließend elektrisch geladen und plötzlich stehen deine Haare ab oder werden vom Ballon angezogen. Auch ein Blitz entsteht durch die Trennung und anschließende Entladung großer elektrischer Ladungsmengen.
Mit solchen ruhenden elektrischen Ladungen und den von ihnen erzeugten Feldern beschäftigt sich die Elektrostatik. Sie bildet eine wichtige Grundlage für viele weitere Themen der Elektrizitätslehre.
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Strom, Spannung und Widerstand
Sobald sich elektrische Ladungsträger gerichtet bewegen, sprechen wir von elektrischem Strom. Die Stromstärke gibt an, wie viel elektrische Ladung pro Zeit durch einen Leiter fließt. Gemessen wird sie in Ampere (A).
Damit Strom fließen kann, braucht es eine elektrische Spannung U. Sie beschreibt die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten und gibt vereinfacht gesagt an, wie viel Energie pro Ladung zur Verfügung steht. Ihre Einheit ist Volt (V).
Der elektrische Widerstand R wiederum beschreibt, wie stark ein Bauteil oder Material den Stromfluss behindert. Seine Einheit ist Ohm (Ω). Diese drei Größen hängen eng zusammen. Für einen ohmschen Leiter bei gleichbleibenden Bedingungen, etwa konstanter Temperatur, gilt das Ohmsche Gesetz:
U = R · I
Steigt bei konstantem Widerstand die Spannung, steigt also auch die Stromstärke proportional an. Nicht jedes elektrische Bauteil verhält sich allerdings ohmsch, weshalb die Formel nicht in jeder Situation uneingeschränkt angewendet werden kann.
Damit du die Formeln besser verstehen kannst, haben wir dier hier einmal die wichtigsten elektrischen Größen zusammengefasst:
| Größe | Formelzeichen | Einheit |
|---|---|---|
| Stromstärke | I | Ampere (A) |
| Spannung | U | Volt (V) |
| Widerstand | R | Ohm (Ω) |
| Ladung | Q | Coulomb (C) |
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Stromkreise: Reihen- und Parallelschaltung
Damit dauerhaft elektrischer Strom fließen kann, brauchst du einen geschlossenen Stromkreis. Dazu gehören mindestens eine Spannungsquelle, elektrische Leiter und ein Verbraucher wie eine Lampe oder ein Motor. Mehrere Bauteile lassen sich dabei unterschiedlich miteinander verbinden.
Bei einer Reihenschaltung liegen die Bauteile hintereinander. Durch alle fließt dieselbe Stromstärke, während sich die Spannungen an den einzelnen Bauteilen zur Gesamtspannung addieren. Der Gesamtwiderstand ergibt sich aus der Summe der einzelnen Widerstände.
Bei einer Parallelschaltung gibt es dagegen mehrere Zweige. An jedem Zweig liegt dieselbe Spannung an, der Gesamtstrom teilt sich jedoch auf die einzelnen Zweige auf.
Für kompliziertere Stromkreise gibt es zusätzlich die Kirchhoffschen Regeln. Mit ihnen kannst du Ströme und Spannungen auch in verzweigten Schaltungen systematisch berechnen.
Interessierst du dich auch für die Thermodynamik in der Physik?
Elektrische Energie und Leistung
Wenn du eine Lampe einschaltest, verschwindet die elektrische Energie nicht einfach. Sie wird in andere Energieformen umgewandelt. Bei einer Lampe zum Beispiel in Licht und Wärme, bei einem Elektromotor hauptsächlich in Bewegungsenergie.
Wenn du die Geheimnisse des Universums finden willst, denke in Begriffen von Energie, Frequenz und Schwingung.
Nikola Tesla
Wie schnell ein Gerät Energie umwandelt, beschreibt die elektrische Leistung P. Sie wird in Watt (W) angegeben. Für viele einfache Fälle gilt:
P = U · I
Genau deshalb findest du auf Elektrogeräten Angaben wie 10 W, 500 W oder 2.000 W. Ein Gerät mit hoher Leistung setzt pro Sekunde mehr Energie um als eines mit niedriger Leistung.
Beim Stromverbrauch im Haushalt begegnet dir außerdem die Kilowattstunde (kWh). Sie ist keine Einheit der Leistung, sondern der Energie und wird beispielsweise auf deiner Stromrechnung verwendet.
Elektrische und magnetische Felder
Elektrische und magnetische Kräfte wirken oft, ohne dass du ihre Ursache direkt sehen kannst. Um solche Wirkungen zu beschreiben, nutzt die Physik das Konzept des Feldes.
Elektrische Felder
Jede elektrische Ladung erzeugt um sich herum ein elektrisches Feld. Befindet sich eine weitere elektrische Ladung in diesem Bereich, wirkt auf sie eine Kraft. Das Feld selbst kannst du zwar nicht sehen, mit Feldlinien lässt sich seine Richtung und Stärke aber anschaulich darstellen.
Bei einer positiven Ladung zeigen die Feldlinien nach außen, bei einer negativen Ladung nach innen.
Wie stark ein elektrisches Feld wirkt, beschreibt die elektrische Feldstärke E. Vereinfacht gesagt gibt sie an, welche Kraft auf eine bestimmte Ladung im Feld wirkt. Ihre Einheit ist Newton pro Coulomb (N/C); gleichwertig kann sie auch in Volt pro Meter (V/m) angegeben werden.
Magnetfelder und Elektromagnetismus
Auch Magnete besitzen ein Feld. Ein Magnetfeld umgibt beispielsweise einen Permanentmagneten und sorgt dafür, dass sich Nord- und Südpole anziehen oder gleichnamige Pole abstoßen. Selbst die Erde besitzt ein Magnetfeld, deshalb kann sich die Nadel eines Kompasses ungefähr in Nord-Süd-Richtung ausrichten.
Magnetfelder entstehen aber nicht nur durch Permanentmagnete: Auch ein stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld. Bei einer Spule überlagern sich die Magnetfelder der einzelnen Windungen, sodass ein besonders ausgeprägtes Magnetfeld entstehen kann.
Elektrizität und Magnetismus sind also eng miteinander verbunden. Diese Verbindung nennt man Elektromagnetismus. Sie bildet unter anderem die Grundlage für Elektromotoren, Generatoren und viele weitere elektrische Geräte.
Elektromagnetische Induktion: Wie Strom erzeugt wird
Elektrizität und Magnetismus hängen noch enger zusammen, als es zunächst scheint. Ein Magnetfeld kann nämlich zur Entstehung einer elektrischen Spannung führen. Genau dieses Phänomen nennt man elektromagnetische Induktion.
Entscheidend ist dabei eine Veränderung: Ändert sich der magnetische Fluss durch eine Leiterschleife oder Spule, wird eine elektrische Spannung induziert. Ist der Stromkreis geschlossen, kann dadurch auch ein elektrischer Strom fließen.
Dieses Prinzip wurde übrigens im 19. Jahrhundert insbesondere von Michael Faraday untersucht und ist bis heute die Grundlage zahlreicher technischer Geräte. Hier zum Beispiel:
⚙️ Generator: Durch Bewegung im Magnetfeld wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. So wird beispielsweise in vielen Kraftwerken Strom erzeugt.
🔌 Transformator: Mithilfe elektromagnetischer Induktion kann die Spannung von Wechselstrom erhöht oder verringert werden.
🍳 Induktionskochfeld: Unter der Kochfläche erzeugt eine Spule ein wechselndes Magnetfeld. Dadurch entstehen im geeigneten Kochgeschirr elektrische Ströme, die den Topfboden erwärmen.
Induktion ist damit eine der wichtigsten Verbindungen zwischen Magnetismus und praktischer Stromerzeugung.
Gleichstrom, Wechselstrom und elektromagnetische Wellen
Elektrischer Strom kann sich unterschiedlich verhalten. Außerdem können miteinander gekoppelte elektrische und magnetische Felder sogar Wellen bilden, die sich durch den Raum ausbreiten.
Gleichstrom und Wechselstrom
Bei Gleichstrom (DC) bleibt die Stromrichtung gleich. Typische Quellen sind Batterien und Akkus. Bei Wechselstrom (AC) ändern sich dagegen Stromrichtung und Spannung regelmäßig. Genau diese Stromart kommt aus der Steckdose und wird in unseren Stromnetzen verwendet.
Wechselstrom ist besonders wichtig für die Energieversorgung, weil sich seine Spannung mit Transformatoren vergleichsweise einfach verändern lässt, z. B für die Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen. Auch in der Elektrizitätslehre bildet die Wechselstromtechnik deshalb einen eigenen Themenbereich.
Wir erklären dir auch mehr über die Optik in der Physik.
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
Veränderliche elektrische und magnetische Felder können sich gegenseitig erzeugen und sich als elektromagnetische Wellen durch den Raum ausbreiten. Dazu gehören nicht nur Radiowellen und Mikrowellen, sondern auch Infrarotstrahlung, sichtbares Licht, UV-Strahlung, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung.
Sie unterscheiden sich vor allem durch ihre Frequenz und Wellenlänge: Je höher die Frequenz, desto kürzer ist die Wellenlänge. Auf diesem Prinzip beruhen ganz unterschiedliche Technologien: vom Radio über WLAN bis zur medizinischen Röntgenaufnahme.
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Elektrizitätslehre im Alltag und in der Technik
Ohne Elektrizitätslehre gäbe es einen riesigen Teil unserer Technik garnicht.
Elektromotoren wandeln elektrische Energie in Bewegung um und treiben zum Beispiel Elektroautos, Haushaltsgeräte oder Maschinen an. Generatoren machen den umgekehrten Schritt und erzeugen aus mechanischer Energie elektrische Energie. Stromnetze transportieren diese anschließend bis zu unseren Häusern.
Auch Smartphones und Computer wären ohne Elektrizitätslehre undenkbar. LEDs erzeugen Licht mithilfe elektrischer Vorgänge, während Solarzellen Lichtenergie direkt in elektrische Energie umwandeln.
Die verwendeten Materialien sind dabei entscheidend: Leiter wie Kupfer lassen elektrischen Strom gut fließen, während Nichtleiter wie Kunststoff den Stromfluss stark behindern.
Dazwischen liegen Halbleiter wie Silizium, deren elektrische Leitfähigkeit gezielt beeinflusst werden kann. Sie bilden die Grundlage für Dioden, Transistoren und damit auch für moderne Computerchips.
Eine kurze Geschichte der Elektrizitätslehre
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. Von ersten Beobachtungen an geriebenem Bernstein bis zum modernen Stromnetz war deshalb eine ganze Reihe wissenschaftlicher Entdeckungen nötig.
Antike
Elektrischer Bernstein
Schon in der griechischen Antike war bekannt, dass geriebener Bernstein leichte Gegenstände anziehen kann.
Um 1650
Otto von Guerickes Elektrisiermaschine
Von Guericke experimentierte mit einer drehbaren Schwefelkugel und beobachtete dabei elektrische Anziehung und Abstoßung.
1733
Zwei Arten elektrischer Ladung
Charles du Fay erkannte, dass es zwei unterschiedliche Arten von „Elektrizität“ gibt, die wir heute als positive und negative Ladung bezeichnen.
1752
Benjamin Franklin und der Blitz
Franklins Experimente trugen entscheidend dazu bei, Blitze als elektrische Erscheinungen zu verstehen.
1785
Coulombsches Gesetz
Charles-Augustin de Coulomb untersuchte die Kraft zwischen elektrischen Ladungen und beschrieb ihre Abhängigkeit vom Abstand.
1800
Die erste Batterie
Alessandro Volta entwickelte mit der Voltaschen Säule eine frühe Batterie, die erstmals einen länger anhaltenden elektrischen Strom ermöglichte.
1820
Strom trifft Magnetismus
Hans Christian Ørsted beobachtete, dass elektrischer Strom eine Magnetnadel ablenkt. Das war ein entscheidender Schritt zur Entdeckung des Elektromagnetismus.
1831
Faradays elektromagnetische Induktion
ichael Faraday zeigte, dass magnetische Veränderungen elektrische Wirkungen hervorrufen können, und legte damit eine Grundlage für Generatoren.
1860er-Jahre
Maxwell verbindet Elektrizität und Magnetismus
James Clerk Maxwell fasste elektrische und magnetische Vorgänge in einer gemeinsamen Theorie zusammen und bereitete damit auch das Verständnis elektromagnetischer Wellen vor.
1866
Das dynamoelektrische Prinzip
Werner von Siemens entwickelte das dynamoelektrische Prinzip weiter und machte damit leistungsfähige Generatoren für die technische Stromerzeugung möglich.
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.
Referenzen
- Jackson, J. D. (2006). Klassische Elektrodynamik. Walter de Gruyter.
- Elektrizitätslehre und Magnetismus. (n.d.). Deutscher Bildungsserver. https://www.bildungsserver.de/schule/elektrizitaetslehre-und-magnetismus-1535-de.html
- Grundwissen Elektrizitätslehre. (n.d.). https://www.lernstunde.de/thema/elektrizitaetslehre/grundwissen.htm
- Demtröder, W. (1999). Elektrizität und Optik.
Mit KI zusammenfassen:
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, das Spannung, Widerstand und Stromstärke miteinander verbindet. Für die elektrische Leistung gilt 
. Die elektrische Energie lässt sich beispielsweise mit 
berechnen. Welche Formel du brauchst, hängt davon ab, welche Größen in der jeweiligen Aufgabe gegeben sind.