Das Geheimnis der Elektrizität

Elektrizität ist keine Erfindung des Menschen, sondern eine in der Natur auftretende Eigenschaft. Besonders anschaulich wird dies, wenn man bei einem Gewitter die Blitze am Himmel beobachtet. Auch das Nervensystem der Lebewesen funktioniert mit elektrischen Impulsen. Erst im späten 19. Jahrhundert hat der Mensch gelernt, elektrischen Strom künstlich zu erzeugen und für sich und seine Erfindungen zu nutzen.

Elektrizität beruht auf elektrischer Ladung - diese kann entweder ruhen oder sich bewegen, genau dann fließt Strom. Die Träger der elektrischen Ladung sind Teilchen des Atoms - "Protonen" im Atomkern sind "positiv" geladen, "Elektronen" hingegen sind "negativ" geladen und umkreisen den Atomkern.

Man kann sich das Atom wie ein Planetensystem vorstellen - der Atomkern ist die Sonne und die Elektronen sind die Planeten. Positive und negative Ladung zieht sich gegenseitig an, positiv und positiv beziehungsweise negativ und negativ stoßen sich ab. Strom selbst ist die Bewegung von elektrischen Ladungsträgern.

Das Thema Elektrizität beschäftigt die Menschen schon sehr lange. Im alten Ägypten und bei den alten Griechen zum Beispiel benannte man das Phänomen der Elektrizität und stellte erste Theorien darüber auf, wie es funktionieren könnte. Die Bezeichnung "Electrica" stammt aus dem 16. Jahrhundert und aus England, wo der Physiker William Gilbert Forschungen zum Magnetismus und zu den Phänomenen der Elektrizität anstellte. Erst Mitte des 19. Jahrhunderts setzte eine breite Anwendung der Elektrizität ein. Seit dem 20. Jahrhundert wird Elektrizität in Kraftwerken produziert und ins Stromnetz eingespeist.

Was passiert, wenn Strom fließt?

Jeder Körper besitzt in seinen Atomen sowohl positiv als auch negativ geladene Teilchen, nämlich die Protonen und die Elektronen. Normalerweise besitzt ein Atom als ganzes gleich viele Protonen und Elektronen. Wenn dies nicht der Fall ist und die Anzahl von negativen Elektronen und positiven Protonen in den Atomen nicht übereinstimmt hat das dann "Ion" genannte Atom eine positive oder negative "elektrostatische" Ladung. Positiv geladene Ionen werden "Kationen", negativ geladene Ionen werden "Anionen" genannt.

Elektronen können die Umlaufbahn um einen Atomkern verlassen und stattdessen an einem anderen Atom eines anderen Körpers heften bleiben. Ein gutes Beispiel ist das Kämmen der Haare - durch die Reibung mit dem Plastikkamm wird dieser negativ aufgeladen, weil Elektronen der Haaratome auf das Material des Kamms übertragen werden. Unterschiedliche Ladungen ziehen sich an, deswegen bleiben die Haare am Kamm kleben. Solche Ladungsunterschiede sind nicht stabil und gleichen sich schnell wieder aus.

Man spricht von einer "Stromleitung", wenn Elektronen sich gemeinsam von einem "Minuspol" (Auch "Kathode" genannt) zu einem "Pluspol" ("Anode") bewegen. Dazu braucht man einen Stromleiter - leitfähiges Material sind insbesondere die Metalle (Gold, Silber, Kupfer und Aluminium sind besonders gute Leiter). Die Leitfähigkeit hat wieder etwas mit der Anzahl der Elektronen zu tun, die beim Stromfluss frei beweglich sein müssen.

Die Elektronen bewegen sich aber nur, wenn man dem Stromleiter Energie zuführt. Formen der Energie sind zum Beispiel Licht, Wärme und Druck, auch bei chemischen Reaktionen kann Energie freigesetzt werden. In einer Batterie zum Beispiel nutzt man die Reaktion von unterschiedlichen Metallen und Säure, um einen Stromfluss zu erzeugen.

So funktioniert ein Stromkreis

Elektrisch betriebene Geräte und Maschinen müssen an einen Stromkreis angeschlossen werden - die Elektrizitätsquelle treibt dabei die Elektronen durch einen Draht bis zu jenem Teil der Maschine, der durch den Durchfluss des Stroms aktiviert wird. Ein einfaches Beispiel ist ein Stromkreis mit einer Batterie als Elektrizitätsquelle, an den eine Glühbirne angeschlossen wird. Nach dem Durchlaufen des Stromkreises kehren die Elektronen wieder zur Elektrizitätsquelle zurück.

Die freien Elektronen springen bei ihrer Wanderung von einem unbeweglichen Atom des Stromleiters (normalerweise sind das Metallatome) zum nächsten. Man kann einen Stromkreis wahlweise unterbrechen, indem man einen Schalter einbaut - der Fluss der Elektronen kommt dann zum Stillstand, obwohl die Elektrizitätsquelle noch immer angeschlossen ist.

Wichtige physikalische Größen der Elektrizität

Man unterscheidet hinsichtlich eines Stromkreises unterschiedliche physikalische Größen wie elektrische Spannung U (Maßeinheit "Volt"), Stromstärke I (Maßeinheit "Ampere") und elektrischer Widerstand R (Maßeinheit "Ohm"). Die Namen stammen von den "Entdeckern" des Stromflusses, Graf Alessandro Volta (1745-1827) und André Marie Ampère (1775-1836), und dem Physiker und Mathematiker Georg Simon Ohm (1787-1854).

Die Voltzahl wird von der elektrischen Quelle erzeugt und ist ein Ausdruck für die Kraft, mit der die Elektronen durch einen Stromkreis wandern können - die Voltzahl gibt an, wie groß der Unterschied der Ladung zwischen zwei Punkten ist. Ampere ist Ausdruck für die Menge des tatsächlich fließenden Stroms. Ohm hingegen ist Ausdruck für den Widerstand, der den von der Elektrizitätsquelle und dorthin zurück wandernden Elektronen im Stromkreis begegnet - so stellen der Stromleiter und insbesondere die Glühbirne einen Widerstand für die Elektronen dar.

Je größer der Widerstand ist, desto schwerer fällt es den Elektronen, innerhalb des Stromkreises zu wandern. Ohne ausreichenden Widerstand gibt es einen "Kurzschluss" - die Stromquelle selbst kann dann durch Überlastung beschädigt werden (um dies zu verhindern baut man Sicherungen in den Stromkreis ein). Die unterschiedlichen physikalischen Größen hängen zusammen: Ein Strom fließt mit einem Ampere ("A") durch den Stromkreis, wenn der Widerstand ein Ohm ("Ω") und die Spannung ein Volt ("V") betragen.

Eine weitere physikalische Größe ist die "Leistung", welche in "Watt" ("W") - benannt nach dem schottischen Erfinder James Watt (1736-1819) - gemessen wird. Die Leistung gibt an, welche "Arbeit" ein Strom in einer bestimmten Zeitspanne verrichtet. Um sie zu bestimmen, muss man das Produkt von Spannung und Stromstärke berechnen - durch eine Glühbirne mit einer Leistung von 60 Watt zum Beispiel fließt bei einer Spannung von 230 Volt Strom mit der Stärke 0,26 Ampere (230 mal 0,26 gleich ungefähr 60).

Man unterscheidet innerhalb des Stromkreises Gleichstrom und Wechselstrom - unser an die Steckdose angeschlossenes Stromnetz für den alltäglichen Gebrauch liefert Wechselstrom. Beim Wechselstrom wandern die Elektronen hin und her, weil 50mal pro Sekunde der Plus- zum Minuspol wird und umgekehrt. Für an den Stromkreislauf angeschlossene Geräte macht es oft keinen Unterschied, ob die Elektronen in die eine oder in die andere Richtung wandern.

Wechselstrom dient der einfachen Übertragung von Energie. Gleichstrom hingegen eignet sich zur Übertragung von Informationen - alle "digitalen" Geräte wie das Radio, der Fernseher oder der Computer besitzen deshalb ein Netzteil, welches den Wechselstrom aus der Steckdose in Gleichstrom umwandelt.

Wie wird Strom künstlich erzeugt?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur künstlichen Erzeugung von Strom. Grundsätzlich wird Bewegungsenergie, die so genannte "kinetische Energie", in elektrische Energie umgewandelt, und zwar durch den Einsatz von "Turbinen" und "Generatoren" in den Elektrizitätswerken.

Turbinen (von "turbare" - das ist Lateinisch und bedeutet "drehen") wandeln Bewegungsenergie von Flüssigkeiten und Gasen in "Rotationsenergie" um - die Turbine besitzt eine Achse, die sich durch Bewegungsenergie zu drehen beginnt. Die Rotationsenergie ist der Antrieb für die Generatoren, die den Strom erzeugen.

Der Mensch nutzt ganz unterschiedliche Energiequellen - zum Beispiel Dampfkraft, Atomenergie, erneuerbare Energien wie Solarenergie, Wasserkraft und Windenergie sowie chemische Energie. Die in den Kraftwerken produzierte Elektrizität wird über ein Netzwerk von Überlandleitungen in jeden Haushalt transportiert.

Das Prinzip des Generators - der Begriff leitet sich vom Lateinischen "generare" ab, das bedeutet "erzeugen" - ist die "elektromagnetische Induktion". Bei der Induktion wird der "Magnetismus" zur Stromerzeugung genutzt. Magnetische Anziehungskräfte sind natürliche Phänomene - Beispiele sind die Kompassnadel oder unser Erdmagnetfeld mit einem Nord- und einem Südpol. Wenn ein elektrischer Strom durch einen Draht fließt, dann entsteht dabei zugleich auch ein Magnetfeld. Wenn man den Draht spiralförmig um einen Eisenstab herum zu einer "Spule" aufwickelt, erhält man bei Stromfluss einen starken Elektromagneten.

Im Generator benutzt man eine Spule, die zwischen den Polen eines größeren Magneten oder Elektromagneten durch eine Energiequelle hin und her bewegt wird. Die Wirkung ist, dass elektrischer Strom durch die Spule fließt. Die Kraft, die ein elektromagnetisches Feld auf eine elektrische Ladung ausübt, nennt man auch "Lorentzkraft". Man unterscheidet "Gleichstromgeneratoren" und "Wechselstromgeneratoren".

Vom Kraftwerk zur Steckdose

Mithilfe von "Transformatoren" (auch "Trafo" oder "Umspanner" genannt) kann die Stromspannung von eingehendem Strom umgewandelt werden - aus Hochspannung wird Niederspannung und umgekehrt. Auch die Transformatoren machen sich das magnetische Prinzip der Induktion zunutze und arbeiten ausschließlich mit Wechselstrom.

Es gibt beim Transformator eine Spule für den Eingangsstrom ("Primärwicklung") und eine andere für den Ausgangsstrom ("Sekundärwicklung") - beide Spulen sind über einen Eisenkern magnetisch miteinander verkoppelt. Die Anzahl der Windungen der beiden Spulen ist dafür verantwortlich, ob die Spannung herauf- oder herabgesetzt wird - bei der Umwandlung hat eine Spule mehr Windungen als die andere.

Die großen Generatoren der Kraftwerke produzieren Strom mit einer hohen Spannung (mehrere Tausend Volt), welche anschließend mithilfe von "Hochspannungstransformatoren" noch um ein Vielfaches gesteigert wird (mehrere Hunderttausend Volt). Strom mit sehr hoher Spannung kann über die Hochspannungsleitungen große Entfernungen zurücklegen.

Bevor der Strom dann genutzt werden kann, wird seine Spannung erneut von Transformatoren umgewandelt. "Verteilungstransformatoren" verringern die Spannung auf einen Wert von einigen Tausend Volt - man hat es nun mit "Starkstrom" zu tun, der in Fabriken mit Hochspannungsmaschinen und von elektrisch betriebenen Hochgeschwindigkeitszügen genutzt werden kann. "Hausverteilungstransformatoren" bringen die Spannung des Stromes auf einen Wert von 230 Volt herunter - in dieser Form kommt der Strom aus der Steckdose.

Strom kann lebensgefährlich sein

Elektrischer Strom kann für den Menschen sehr gefährlich werden. Schwacher elektrischer Strom macht uns nichts aus - ganz im Gegenteil, ausgehend von unserem Gehirn wird unser gesamtes Nervensystem mit elektrischen Signalen gespeist. Unser Herz schlägt aufgrund von körpereigenen elektrischen Impulsen, auch unsere Organe werden durch solche Impulse gesteuert.

Die Berührung mit spannungsführenden Gegenständen kann einen Stromfluss durch den Körper erzeugen und zur Verkrampfung der Muskeln führen. Das ist auch der Grund dafür, dass man einen ergriffenen unter Spannung stehenden Gegenstand unter Umständen nicht mehr loslassen kann. Lebensgefährlich wird es insbesondere, wenn der Strom über das Herz fließt - der Herzrhythmus wird gestört oder der Herzmuskel verkrampft. Herzkammerflimmern oder Herzstillstand kann den plötzlichen Tod zur Folge haben. Der kritische physikalische Wert bei Unfällen mit Elektrizität ist ein Stromfluss ab 15 Milliampere ("mA").

Wechselstrom ist bezüglich der Herzrhythmusstörung gefährlicher als Gleichstrom, Gleichstrom hingegen sorgt schneller für Verkrampfungen und Verbrennungen. Eine Stromstärke ab 50 Milliampere kann sogar dazu führen, dass die Zellflüssigkeit so stark erhitzt wird, dass Körperteile absterben oder in Brand geraten. Ein dem Starkstrom ausgesetzter Organismus verbrennt innerhalb von wenigen Sekunden. Auch zu den häufigsten Brandursachen in Haushalten zählen Kurzschlüsse und Elektrogeräte, die defekt oder nicht rechtzeitig abgeschaltet worden sind.

Da elektrischer Strom unsichtbar ist, muss man beim Kontakt mit Stromquellen und -leitern sehr umsichtig vorgehen: Steckdosen sollten nicht berührt werden! Kabel sollte man immer am Stecker herausziehen und beschädigte Stecker oder Kabel nicht mehr an eine Stromquelle anschließen. Vor dem Wechsel von Glühbirnen muss immer der Stecker gezogen werden. Keinesfalls dürfen elektrische Geräte in der Nähe von Wasser wie der befüllten Badewanne verwendet werden. Im Zweifel sollte man immer erst mit einem Spannungsmessgerät ("Voltmeter") kontrollieren, ob auch tatsächlich keine Spannung anliegt.