freie Lektorin und Autorin
Auf dieser Seite erwarten Sie blaue Funken und verbogene Wasserstrahlen.
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Elektrische Ladungen kommen in zwei „Ausführungen“ vor: positive Ladungen und negative Ladungen. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab (Abb. 1), verschiedene Ladungen ziehen sich an. Ein eigenes Sinnesorgan zur Wahrnehmung von Elektrizität haben wir nicht, aber jeder kennt das unangenehme Gefühl des leichten elektrischen Schlages, der einen erwischt, wenn man über bestimmte Teppichböden geht und anschließend eine Türklinke berührt. Weniger unangenehm, aber unter Umständen lästiger, ist das Fliegen der Haare nach dem Kämmen, was besonders bei trockener Luft auftritt.
Die elektrische Ladung ist eine Eigenschaft der Elementarteilchen, aus denen die Materie zusammengesetzt ist: die negative Ladung tragen die Elektronen, die positiven Ladungen sitzen in den Atomkernen. Genauer gesagt sind es die Protonen im Atomkern (noch genauer gesagt sind es die Quarks, aber dies hier soll keine Seite zur Elementarteilchenphysik werden, deswegen gehen wir nicht tiefer als bis zu den Protonen). Neben den positiv geladenen Protonen gibt es im Atomkern noch die Neutronen, aber wie der Name schon vermuten lässt, sind diese elektrisch neutral, also ungeladen. In einem Atom gibt es gleich viele Elektronen wie Protonen, das Atom als Ganzes ist deshalb elektrisch neutral. Dass einige Materialien sich trotzdem aufladen oder elektrischen Strom transportieren können, liegt an der jeweiligen Art und Weise, wie die Atome untereinander gebunden sind.
Es gibt Bindungen, in denen sitzen die Elektronen fest an ihren Plätzen. Im Diamant zum Beispiel bilden jeweils zwei Elektronen zweier Kohlenstoffatome eine Bindung zwischen den Atomen; man nennt diese Bindungen Elektronenpaarbindungen oder kovalente Bindungen (Abb. 2 unten links). Jedes Atom hat vier solcher Bindungen zu vier Nachbaratomen, sodass ein dreidimensionales Kristallgitter entsteht. Die Elektronen sitzen in diesen Bindungen fest und können sie nicht verlassen, deshalb ist Diamant nicht leitfähig.
Im Salz (Natriumchlorid) geht ein Elektron vom Natrium vollständig auf das Chlor über. Dadurch erhält das Natriumatom eine positive Ladung, das Chloratom eine negative Ladung. Elektrisch geladene Atome, also Atome mit einem oder mehreren Elektronen zu viel oder zu wenig, nennt man Ionen. Da sich entgegengesetzte Ladungen anziehen, ziehen sich auch Natriumionen und Chlorionen an und bilden ein Kristallgitter, in dem Ionen einer Ladung immer von Ionen der anderen Ladung umgeben sind. So hält der Kristall wegen der elektrischen Anziehung zusammen. Diese Art der Bindung nennt man Ionenbindung (Abb. 2 oben links). Auch hier sitzen die Elektronen fest, diesmal auf ihren Plätzen bei den Atomen. Solche Materialien sind ebenfalls nicht elektrisch leitfähig.
Elektrischer Strom ist nichts anderes als Ladungsträger, die sich durch ein Material bewegen. Wenn also Elektronen oder Ionen wandern, fließt ein elektrischer Strom. Ein elektrischer Strom kann daher nur fließen, wenn die Ladungsträger beweglich sind. In Festkörpern sitzen die Atomkerne so fest, dass als bewegliche Ladungsträger nur die Elektronen infrage kommen. Materialien wie Diamant oder Salz leiten keinen Strom, da hier auch die Elektronen nicht beweglich (genug) sind.
Was anderes ist es, wenn man den Salzkristall in Wasser auflöst. In der Lösung sind die Ionen nicht wie im Kristall fest verankert, sondern können sich bewegen (Abb. 2 oben rechts). Die Salzlösung ist deshalb sehr wohl elektrisch leitfähig: Die Ladungsträger sind hier die positiven und negativen Ionen.
Es gibt aber natürlich auch Festkörper, die Strom leiten – der Klassiker ist das Kupferkabel. Aber auch andere Metalle weisen eine hohe Leitfähigkeit auf. Der Grund liegt wiederum in der Art der Bindung der Atome. Metallatome geben ihre äußersten Elektronen gerne ab. Während die übrigbleibenden positiven Ionen ein Kristallgitter bilden, formen die abgegebenen Elektronen einen Elektronensee (Abb. 2 unten rechts; der Ausdruck ist nicht nur eine Metapher von mir, sondern durchaus gebräuchlich) um die Atome herum. Die Elektronen in diesem See sind beweglich genug, dass sie durch eine elektrische Spannung in Bewegung gesetzt werden können. In Metallen sind die Strom führenden Ladungsträger also Elektronen.
Noch ein Beispiel, in dem Ionen als Ladungsträger fungieren, liefert folgendes Experiment. Wenn Sie das Experiment nachmachen wollen, verwenden Sie keine Schale, die Sie für Lebensmittel verwenden, und gießen Sie den Essig anschließend weg!
Legt man eine Kupfermünze (hier: 1 Eurocent) in Essig und daneben (ohne dass beide sich berühren) einen Stahlnagel (Abb. 2 links), stellt man nach etwa 1 Tag fest, dass der Nagel rötlich glänzt (Abb. 2b rechts). Er hat einen leichten Kupferüberzug bekommen. Metalle lösen sich in einer Säure – in Lösung gehen sie aber immer als positive Ionen. Die Metallionen gehen also in die Säure über und die Elektronen bleiben im Metall zurück. Nun haben aber unterschiedliche Metalle ein unterschiedlich starkes Bestreben, Elektronen abzugeben. Je edler das Metall ist, desto eher nimmt es Elektronen auf und desto weniger gibt es Elektronen ab. Das führt dazu, dass die Kupferionen, die im Essig gelöst sind, die Gelegenheit ergreifen und die übrig gebliebenen Elektronen am Stahlnagel übernehmen. Aus den Kupferionen wird wieder metallisches Kupfer, das sich am Nagel als Schicht ablagert. Die Eisenionen bleiben in Lösung – weshalb die Euro-Cent-Münze auch keinen Eisenüberzug bekommt.
Kupferionen wandern also von der Münze zum Nagel. Das bedeutet, es fließt ein elektrischer Strom, getragen von den positiven Ionen. Tatsächlich kann man mit zwei Elektroden aus unterschiedlichen Metallen eine Spannungsquelle bauen, eine sogenannte galvanische Zelle. Das Material, das leichter in Lösung geht, bildet die negative Elektrode; das Material, das lieber Elektronen aufnimmt, die positive. Wenn man dann noch dafür sorgt, dass nicht die Ionen über die Lösung für einen Ladungsausgleich sorgen, sondern dass die zurückgebliebenen Elektronen von der negativen Elektrode über einen Draht zur positiven Elektrode fließen, kann man diesen Strom nutzen. Auf die Weise funktionieren Batterien und Akkumulatoren.
So „Schwarz-Weiß“ ist die Natur in aller Regel nicht aufgebaut – zwischen leitfähig und nicht leitfähig gibt es etliche Abstufungen von mehr oder weniger leitfähig – wenn die Elektronen doch nicht so hundertprozentig fest in den Bindungen sitzen, sondern durch Zufuhr von mehr oder weniger Energie in Bewegung gesetzt werden.
In Metallen können sich Ladungsträger also frei bewegen, in Glas oder Kunststoff können sie das nicht. Deshalb sind die Ladungen aus dem aufgeladenen Kamm in Abb. 1 auf die Aluminiumstreifen übergegangen, aber nicht auf das Glas. Wie aber sind die Ladungen ursprünglich mal auf den Kamm gelangt?
Alle Stoffe haben eine unterschiedlich großes Bestreben, Elektronen aus anderen Materialien aufzunehmen. Manche geben lieber Elektronen ab, andere nehmen ganz gern welche auf, wieder andere sind regelrecht gierig nach Elektronen. Den Übergang von Elektronen von einem Material auf ein anderes kann man durch Reibung verstärken – deshalb spricht man hier von Reibungselektrizität. Beim Kämmen reiben Kamm und Haare aneinander und Elektronen treten vom Haar auf den Kamm über.
(Ob es nicht am Ende umgekehrt ist, kann man natürlich nicht sehen, da verlasse ich mich auf die Angaben anderer, auf www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/online_material/e_lehre_1/e_statik/reibungsel.htm (Landesbildungsserver Baden-Württemberg) findet man eine Aufstellung.)
Die Haare bleiben positiv geladen zurück, der Kamm lädt sich negativ auf. Entfernt man nun den Kamm von den Haaren, zieht der negative Kamm die positiven Haare an und es kommt zu dem lästigen Fliegen der Haare. Der Effekt ist umso größer, je trockener die Luft ist, weil feuchte Luft leitfähiger ist als trockene und deshalb eher für einen Ladungsausgleich sorgt.
Die Reibungselektrizität wurde übrigens schon 550 v.Chr. von Thales von Milet entdeckt, wobei er sie nicht an einem Plastikkamm sondern an Bernstein fand. Das griechische Wort für Bernstein ist Elektron und wurde namensgebend für das gesamte Fachgebiet Elektrizitätslehre.
Abb. 3 zeigt ein Experiment, in dem die Reibungselektrizität von Bernstein einen Wasserstrahl verbiegt.
Ich habe den Bernstein aufgeladen, indem ich ihn am Ärmel eines Wollpullovers gerieben habe (Mischung aus Schaf- und Alpakawolle). Hält man den geladenen Bernstein nun in die Nähe eines dünnen Wasserstrahls, wird dieser verbogen.
Das liegt am Aufbau der Wassermoleküle. Ein Wassermolekül besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Zwischen Sauerstoff und Wasserstoff besteht jeweils eine Elektronenpaarbindung – in diesen Bindungen sind die beiden Elektronen aber nicht gleichmäßig zwischen den beiden Atomen verteilt, sondern werden vom Sauerstoff etwas stärker angezogen. Damit hat das Sauerstoffatom eine leichte negative, die Wasserstoffatome eine leichte positive Ladung. Das Wassermolekül hat deshalb eine positive und eine negative Seite. Nähert sich dem Molekül nun eine elektrische Ladung (wie hier mit dem Bernstein), richten sich die Moleküle so aus, dass ihre entgegengesetzt geladene Seite zum Bernstein zeigt. Da Bernstein eher Elektronen aufnimmt, ist er negativ geladen, die Wassermoleküle wenden ihm also ihre positivere Seite zu. Diese positiven Seiten der Moleküle werden nun vom negativ geladenen Bernstein angezogen – und in der Folge verbiegt sich der gesamte Wasserstrahl zum Bernstein hin.
Der Wasserstrahl wurde in Abb. 3 vom negativ geladenen Bernstein abgelenkt, weil die Wassermoleküle ihm ihre positive Seite zugewandt haben. Wenn in einem Material die Ladungsträger beweglich sind, können diese als Ganzes einer außen befindlichen Ladung entgegen wandern. Hält man beispielsweise ein Stück Metall in die Nähe einer positiven elektrischen Ladung, wandern die freien Metallelektronen so nah an die positive Ladung heran, wie sie können, und sammeln sich an der der Ladung zugewandten Oberfläche. Dies Oberfläche ist nun negativ geladen. An der rückwärtigen Oberfläche fehlen die Elektronen, diese ist positiv geladen.
Solange das Metallstück nicht mit einem elektrischen Leiter verbunden ist, bleibt es bei diesem Zustand, verlassen können die Elektronen das Metall nicht. (Nicht so ohne Weiteres jedenfalls – wenn die außen befindliche Ladung groß genug, und damit die von ihr erzeugte elektrische Spannung, groß genug ist, können die Elektronen auch aus dem Metall herausgerissen werden; auf diese Weise kommt der Funke in der Wimshurst-Maschine zustande.) Wichtig ist, dass das Metallstück als Ganzes elektrisch neutral bleibt, es entstehen lediglich Ladungsverschiebungen. Die so erzeugten Ladungen nennt man Influenzladungen (im Gegensatz zu „echten“ Ladungen, bei denen das ganze Metallstück eine elektrische Ladung aufweist.
Hat man ein positiv und ein negativ geladenes Metallstück, ziehen sich die beiden an. Um sie auseinanderzuziehen, muss man also Energie aufwenden – je weiter man sie auseinanderzieht, desto mehr Energie braucht man. Zwischen den nun getrennten Ladungen herrscht eine elektrische Spannung. Verbindet man die beiden Stücke über einen elektrischen Leiter, bewirkt die elektrische Spannung, dass über den Leiter ein elektrischer Strom fließt und zwar so lange, bis der Ladungsunterschied zwischen beiden Metallstücken ausgeglichen ist. Anders ausgedrückt: Die Ladungen auf den beiden Metallstücken möchten die Trennung aufheben und beginnen zu wandern (genau genommen wandern nur die Elektronen, die Ionen sitzen fest), da sie das Metall nicht einfach verlassen können, stellt der Leiter den einzig möglichen Weg dar – diese Wanderung ist der elektrische Strom. Mit dem Verschwinden des Ladungsunterschiedes verschwindet auch die elektrische Spannung.
Den elektrischen Strom, der von der Spannung angetrieben wurde, kann man nutzen, um ein elektrisches Gerät zu betreiben. Auf die Weise bekommt man die Energie, die man zunächst aufwenden musste, um die Ladungen zu trennen, wieder heraus, um eine Arbeit damit zu verrichten.
Bei einer Stromquelle ist es also wichtig, eine dauerhafte Ladungstrennung und damit eine elektrische Spannung aufrechtzuerhalten, damit die Quelle jederzeit einen elektrischen Strom liefern kann.
Eine solche Konstruktion aus zwei entgegengesetzt geladenen Stücken nennt man Kondensator; man spricht allerdings nicht von Stücken, sondern von Platten. Zwei Kondensatorplatten befinden sich in einigem Abstand voneinander und zwischen ihnen ist ein nicht elektrisch leitfähiges Material. Lädt man nun die Platten entgegengesetzt auf, entsteht zwischen ihnen eine elektrische Spannung, mit der man elektrische Maschinen antreiben kann. (Da zwischen den Platten ein nicht leitendes (isolierendes) Material ist, können die Ladungen nicht von der einen zur anderen Platte übertreten.) Ein Kondensator kann also elektrische Energie speichern. Allerdings müssen es nicht immer wirklich Platten sein. In der Wimshurst-Maschine dienen zwei so genannte Leidener Flaschen als Kondensatoren – im Original sind dies Glasflaschen, auf deren Innen- und Außenseite Metallbeläge aufgebracht sind. Die Metallbeläge dienen als Kondensatorplatten, das Glas als isolierende Schicht zwischen ihnen.
Neben der Aufladung eines Kondensators gibt es noch andere Arten, eine Ladungstrennung herzustellen: in der Batterie nutzt man chemische Reaktionen; die Spannung in der Steckdose wird im Kraftwerk über magnetische Induktion erzeugt.
Die Wimshurst-Maschine ist eine Influenzmaschine, das heißt, es wird mithilfe von Influenz eine elektrische Spannung erzeugt. Die hier gezeigte Maschine ist ein Bausatz von www.astromedia.de.
Abb. 7a zeigt die Maschine von vorn, von der Seite und von hinten. Die beiden großen Scheiben sind aus nicht leitendem Acrylglas und werden mit der Kurbel (auf der Rückseite) in Drehung versetzt, wobei sie sich gegenläufig drehen. Beklebt sind die Scheiben mit Segmenten aus Aluminiumfolie, einem leitfähigen Material. Die beiden von links oben nach rechts unten verlaufenden Balken sind die Neutralisatoren, sie können über Bürsten Ladung von den Alumiumsegmenten abgreifen und weiterleiten, denn sie sind ebenfalls leitfähig. Die beiden Zylinder vor der Scheibe sind Leidener Flaschen, also Kondensatoren. Die aus ihnen herausragenden Kontakte dienen als Stromabnehmer und greifen Ladungen von der vorderen Scheibe ab, leiten sie in die Leidener Flaschen und speichern sie dort. Dann gibt es noch die beiden Stangen mit den je zwei Kugeln – die Elektroden. Diese sind leitend mit den Leidener Flaschen verbunden. Die Kugeln laden sich über die Kondensatoren auf und zwischen den Kugeln entsteht eine elektrische Spannung. Ist diese Spannung groß genug, werden Elektronen aus der negativ geladenen Kugel herausgerissen und fliegen hinüber zur positiv geladenen Kugel. Die Elektronen werden schnell genug, dass sie Atome der Luft zwischen den Kugeln zum Leuchten anregen können – und man sieht blaue Blitze von mehrern Zentimetern Länge.
Die Wimshurst-Maschine von www.astromedia.de erzeugt elektrische Spannungen bis 70 kV (Kilovolt). Da aber nur geringe Ströme fließen, sind diese Spannungen ungefährlich. Trotzdem dürfen Kinder die Maschine nicht unbeaufsichtigt bedienen. Betreiben Sie die Wimshurst-Maschine nie in der Nähe endzündlicher Flüssigkeiten und Gase – auch ein kleiner Funke ist ein Funke, der ein Feuer verursachen kann!
Anhand der folgenden Abbildungen werde ich die Funktion Schritt für Schritt erklären. Um es übersichtlicher zu halten, werde ich einige Dinge nacheinander geschehen lassen, die bei der echten Maschine im Betrieb gleichzeitig passieren.
Influenzladungen sind gelb, „echte“ Ladungen rot gezeichnet.
Haben sich die Kugeln an den Enden der Elektroden stark aufgeladen, können die Elektronen in der negativ aufgeladenen Kugel der Anziehung der positiven Kugel nicht mehr widerstehen. Sie verlassen die negative Kugel und fliegen zur positiven. Dabei werden sie schnell genug, um Atome der Luft zwischen den Kugeln anzuregen. Das bedeutet, sie stoßen mit den Atomen zusammen und bei diesem Stoß werden Atomelektronen in höhere Bahnen gestoßen. Von dort fallen sie in die tieferen ursprünglichen Bahnen zurück. Die Energie, die sie vorher durch den Stoß erhalten haben, geben sie nun in Form von Licht wieder ab (siehe auch: Energieniveaus) und man sieht einen blauen Blitz zwischen den beiden Kugeln. Zudem wird durch die Ionisation die eigentlich nicht leitfähige Luft leitfähig, was eine höhere Stromstärke zur Folge hat (es gibt ja durch die Ionisation nun mehr freie Elektronen, die ebenfalls zur positiven Elektrode fliegen).
© Wiebke Salzmann, Januar 2014