Grundlagen der Elektrizität und ihre Geschichte

Grundlagen der Elektrizität

Elektrische Wechselwirkungen

Elektrische Wechselwirkungen sind die dynamische Beeinflussung, die zwei oder mehr Objekte aufeinander ausüben.

• Elektrostatisches Pendel: Ein elektrostatisches Pendel ist eine kleine, leichte Kugel, oft aus Mark oder einem anderen isolierenden Material, die an einem isolierenden Faden hängt. Seine Funktion ist es, die Anwesenheit elektrostatischer Kräfte zu bestimmen.
• Elektroskop: Ein Elektroskop ist ein Gerät, das anzeigt, ob ein Körper elektrisch geladen ist und welches Vorzeichen die Ladung hat.
• Elektrometer: Ein Elektrometer ist ein Gerät zur Messung der elektrischen Ladungsmenge eines Körpers.

Methoden der Elektrisierung eines Körpers

• Durch Reibung: Wenn zwei Körper unterschiedlicher Art aneinander gerieben werden, findet eine Übertragung von Elektronen von einem Körper zum anderen statt. Der Körper, der Elektronen verliert, wird positiv geladen, und der Körper, der Elektronen gewinnt, wird negativ geladen.
• Durch Kontakt: Wenn ein geladener Körper einen ungeladenen Körper berührt, wird ein Teil der Ladung auf den ungeladenen Körper übertragen, wodurch dieser ebenfalls geladen wird.
• Durch Induktion: Induktion ist ein Prozess, bei dem ein Objekt ohne direkten Kontakt geladen wird. Wenn ein geladener Körper in die Nähe eines neutralen Körpers gebracht wird, entsteht eine elektrische Wechselwirkung zwischen den Ladungen des geladenen Körpers und den Ladungen des neutralen Körpers. Als Ergebnis dieser Interaktion verschiebt der geladene Körper die freien Elektronen im neutralen Körper.

Vergleich zwischen elektrischen und gravitativen Wechselwirkungen

Die elektrostatische Wechselwirkung ist mit elektrischen Ladungen verbunden, während die Gravitation mit der Masse als physikalischer Eigenschaft der Materie verbunden ist. Die elektrische Kraft, die durch die Wechselwirkung zwischen Ladungen ausgeübt wird, ist viel größer als die Gravitationskraft, die zwischen Massen ausgeübt wird. Gravitationskräfte sind in der Regel nur bei großen Massen makroskopisch wahrnehmbar. Elektrische Wechselwirkungen können sowohl Anziehungs- als auch Abstoßungskräfte umfassen, während Gravitationskräfte nur anziehend wirken.

Grundlegende Konzepte der Elektrizität

• Elementarladung: Die Elementarladung ist die kleinste freie elektrische Ladung, die in der Natur vorkommt, z.B. die Ladung eines Elektrons.
• Erhaltung der elektrischen Ladung: Elektrische Ladung kann weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur übertragen werden. Das bedeutet, die Gesamtladung eines isolierten Systems muss konstant bleiben.
• Einheit der elektrischen Ladung: Die Einheit der elektrischen Ladung im internationalen System (SI) ist das Coulomb (C).
• Coulomb'sches Gesetz: Die Kraft der Anziehung oder Abstoßung zwischen zwei Ladungen ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands, der sie trennt.

Geschichte der Elektrizität

Um 600 v. Chr. entdeckten die Griechen, dass versteinertes Harz, heute bekannt als Bernstein, durch Reiben an einem Pelztuch leichte Partikel wie Stroh anzog. Diese seltsame Wirkung blieb ein Geheimnis für mehr als 2000 Jahre, bis um 1600 Dr. William Gilbert die Eigenschaften von Bernstein und Magneten untersuchte und als Erster das Wort „Elektrizität“ in einem Bericht über die Theorie des Magnetismus prägte.

Wichtige Persönlichkeiten und Meilensteine

• Benjamin Franklin (1706-1790): Er zeigte 1752 die elektrische Natur von Blitzen. Er entwickelte die Theorie, dass Elektrizität eine Flüssigkeit ist, die in jedem Körper vorhanden ist und deren Fluss durch Überschuss oder Mangel verursacht wird. Er erfand den Blitzableiter und 1780 die Bifokalbrille.
• Alessandro Volta (1745-1827): Im Jahr 1800 baute er die erste elektrische Batterie (Voltasche Säule), die Elektrizität erzeugen konnte. Seine Inspiration stammte aus den Untersuchungen des italienischen Physikers Luigi Galvani (1737-1798) über elektrische Ströme in den Nervenzellen von Froschschenkeln.
• Luigi Galvani (1737-1798): Er vertrat die Theorie der tierischen Elektrizität, der Volta widersprach. Volta glaubte dagegen, dass die Muskelkontraktionen die Folge des Kontakts zweier Metalle mit dem Muskel waren. Weitere Untersuchungen führten zur Entwicklung einer chemischen Zelle, die Gleichstrom erzeugen konnte, was auch die Entwicklung der Batterie vorantrieb.
• Michael Faraday (1791-1867): Im Jahr 1831 arbeitete er im Alter von 14 Jahren als Buchbinder, was ihm ermöglichte, zu lesen und sein Interesse an Physik und Chemie zu entwickeln. Trotz seiner geringen formalen Ausbildung machte er einen großen Schritt in der Entwicklung der Elektrizität, indem er entdeckte, dass Magnetismus durch Bewegung Strom erzeugt. Die Erzeugung von induzierter Spannung in einer Spule durch Bewegung in einem Magnetfeld wurde von Faraday demonstriert.

Hinweis: „Volt“ ist die Maßeinheit des elektrischen Potenzials (Spannung). „Farad“ ist die Einheit der Messung der elektrischen Kapazität.

Struktur der Materie

Materie ist hierarchisch in mehreren Ebenen organisiert. Die komplexeste Ebene ist die Ansammlung von Molekülen, und diese wiederum sind Gruppen von Atomen. Die Bestandteile der Atome, die die nächste Ebene bilden, sind:

• Elektronen: Teilchen mit negativer elektrischer Ladung.
• Protonen: Positiv elektrisch geladene Teilchen.
• Neutronen: Elektrisch neutrale Teilchen.