Grundlagen der Elektrizität: Erzeugung und Speicherung

Methoden der Stromerzeugung

Elektrizität kann auf verschiedene Weisen erzeugt werden. Hier sind die gängigsten Methoden:

Elektrizität durch Reibung (Triboelektrischer Effekt)

Beim Reiben eines Glasstabes an einem Wolltuch gehen Elektronen vom Glasstab auf das Wolltuch über. Dadurch wird der Glasstab positiv und das Wolltuch negativ geladen. Dies ist ein Beispiel für statische Elektrizität.

Piezoelektrischer Effekt: Strom durch Druck

Piezoelektrische Materialien wie Quarz erzeugen elektrische Ladungen an ihren gegenüberliegenden Oberflächen, wenn sie mechanisch verformt werden. Dieser Effekt wird in Sensoren, beispielsweise zur Klopferkennung, eingesetzt. Der piezoelektrische Effekt ist reversibel.

Stromerzeugung durch chemische Reaktion

Wenn zwei unterschiedliche Metalle in eine leitende Flüssigkeit (Elektrolyt) getaucht werden, entsteht zwischen ihnen eine Potentialdifferenz. Batterien und Akkumulatoren sind Beispiele für Geräte, die chemische Energie in elektrische Energie umwandeln.

Elektromagnetische Induktion: Strom aus Magnetfeldern

Dieses Prinzip wird zur Erzeugung des größten Teils des Stroms genutzt. Wird ein elektrischer Leiter senkrecht zu den Feldlinien eines Magnetfeldes bewegt, wird in ihm ein elektrischer Strom (Wechselstrom) induziert.

Optoelektronische Verfahren: Der Photoelektrische Effekt

Experimentell wurde gezeigt, dass Elektronen aus der Oberfläche eines Metallkörpers freigesetzt werden, wenn ein Lichtstrahl darauf trifft. Dieser Effekt wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet. Anwendungen finden sich beispielsweise in Selenzellen und Lichtschranken.

Thermoelektrischer Effekt: Strom durch Wärme

Werden zwei unterschiedliche Metalle an einem Punkt miteinander verbunden und dieser Kontaktpunkt erwärmt, entsteht eine Potentialdifferenz. Dies liegt daran, dass die Elektronen in einem Metall bei Erwärmung mehr Energie erhalten und sich stärker bewegen als im anderen. Die erzeugte Spannung wird als Thermospannung bezeichnet.

Elektrisches Feld und Ladungsakkumulation (Kondensator)

Ein elektrisches Feld ist der Raum, in dem die Wirkung einer elektrischen Ladung spürbar ist.

Stellen Sie sich zwei Metallplatten vor, die in kurzem Abstand voneinander getrennt und mit einem Generator verbunden sind. Schließt man den Stromkreis, zieht der positive Pol des Generators Elektronen von der Platte an, mit der er verbunden ist. Durch diese Bewegung der Elektronen entsteht eine Potentialdifferenz zwischen den Platten.

Diese Bewegung der Elektronen dauert nur einen Moment, bis die Platten ihre Ladung erreicht haben. Dieses Gerät wird Kondensator genannt und ist in der Lage, elektrische Ladung zu speichern.

Wird ein dielektrisches Material zwischen die Platten gelegt, werden die Atome in diesem Material durch das elektrische Feld zwischen den Platten beeinflusst.

Ein Kondensator gilt als aufgeladen, wenn die Potentialdifferenz zwischen seinen Platten der angelegten Spannung entspricht. Sobald der Kondensator geladen ist, kann er seine Ladung speichern, auch wenn der Generator getrennt wird.

Die Dauer der Lade- und Entladeströme hängt von der Kapazität des Kondensators und der angelegten Spannung ab. Die Maßeinheit ist das Farad (F), wobei oft Mikrofarad (µF) und Picofarad (pF) verwendet werden. Bei zu hoher Spannung kann es zu einem Überschlag zwischen den Platten kommen, der das Dielektrikum durchschlägt (Durchbruchspannung).

Die Kapazität eines Kondensators hängt von der Oberfläche der Platten sowie der Dicke und Art des dielektrischen Materials ab.