In dieser Sendung von Telekolleg-Physik lernen Sie einen neuen Moderator und ein neues Gebiet kennen. Hermann Deger ist Ihr Begleiter bei den Themen der Elektrik. Die Phänomene der Elektrizität haben ihre Ursache im Aufbau der Atome aus positiv geladenen Kernen und den Elektronen in der Atomhülle. Zuerst beschäftigen wir uns mit der elektrischen Ladung. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:
Heute kann elektrische Energie mithilfe von sogenannten Fotovoltaikanlagen
direkt aus Sonnenergie gewonnen werden. Dies ist sehr umweltfreundlich, aber
bisher deckt dieser Typ eines Kraftwerks nur einen sehr kleinen Teil des
Energiebedarfs ab. Wir nützen Elektrizität wegen ihrer Wärmewirkung
zum Kochen und Braten. Andere Anwendungen verwenden Elektromotoren
und damit die magnetische Wirkung der Elektrizität. Für die Umwandlung von
mechanischer Bewegungsenergie in elektrische Energie sorgen Generatoren.
Zur Entstehung eines Gewitters ist im Studio ein Modellversuch
aufgebaut: Mit einem Bandgenerator wird eine Wolke aufgeladen, hinter der eine
Metallkugel steckt. Von dort springen Blitze auf ein geerdetes Hausdach über.
Das Aufladen und Entladen von Elektrizität beruht auf den Kraftwirkungen
zwischen verschiedenen Ladungssorten. Werden zwei Gegenstände gleich
aufgeladen, dann stoßen sie sich gegenseitig ab; werden sie entgegengesetzt
geladen, dann ziehen sie sich an. Mit diesem Wissen kann die Funktionsweise
eines Bandgenerators
verstanden werden: Die Ladungen, die sich schon auf der Metallkugel befinden,
stoßen sich gegenseitig ab und verteilen sich gleichmäßig in der obersten
Metallschicht. Deshalb entsteht viel Platz für weitere Ladungen, die vom
Transportband abgestriffen werden.
Wie kann man die Phänomene der Elektrizität verstehen? Die Grundlagen findet
man im Aufbau der Atome. Dazu zunächst eine Größenvorstellung. Man betrachte
einen Tischtennisball und vergleiche ihn mit der Größe der Erde.
Im gleichen Größenverhältnis steht ein Atom zur Größe des Tischtennisballs! Ein
Atom hat einen Durchmesser von etwa 10-10 m. Wie ist das Atom
aufgebaut und wie groß ist im Verhältnis der Atomkern? Wenn das Atom so groß
wäre wie ein Fußballfeld, also einen Durchmesser von 100 m hätte, dann wurde der
Atomkern, der fast die gesamte Masse des Atoms beinhaltet, nur so groß sein wie
ein Stecknadelkopf!
Ein Atomkern ist demnach etwa 10-15 m groß, er ist ein dichter
Tropfen aus Protonen und Neutronen. Beide Kernbausteine haben etwa die gleiche
Masse, aber nur das Proton ist geladen. Es trägt eine positive Elementarladung
e. Damit ein Atom nach außen hin elektrisch neutral sein kann, befinden
sich in der Atomhülle genauso viele Elektronen mit der negativen Ladung
-e wie Protonen im Kern. Das Metall Beryllium
z.B. hat die Kernladungszahl 4, also vier Protonen im Kern und deshalb auch vier
Elektronen in der Hülle, wenn es neutral ist. Bei Elektronenüberschuss in der
Hülle ist das Atom negativ geladen, bei Elektronenmangel ist es positiv geladen.
Man spricht dann von einem negativen bzw. positiven Ion. Alle Elemente des Periodensystems
sind Atome; jeweils ist die Kernladungszahl gleich der Periodenzahl. Elemente
mit größerer Periodenzahl sind größer, weil sie einen größeren Kern haben und
sich in ihrer Hülle mehr Elektronen befinden.
Mit der Vorstellung von geladenen und neutralen Atomen ist nun verständlich,
wie sich Materie aufladen kann. Jede Materie ist aus Atomen aufgebaut, die
geladen sein können oder nicht. Weisen die Atome der Materie insgesamt einen
Elektronenüberschuss auf, dann ist die Materie negativ geladen. Wenn insgesamt
ein Elektronenmangel vorliegt, dann ist das Material positiv geladen. Wird ein
Kunststoffstab
mit einem Fell gerieben, dann haben die Elektronen in den Kontaktflächen die
Wahl zwischen zwei Materialien. Kleinste Vorteile bewirken, dass beim Reiben
eines Kunststoffstabs an einem Fell viele Elektronen auf den Stab wechseln und
das Fell positiv geladen zurücklassen. Beim Laden eines Ballons
mit einer metallischen Oberfläche kommt noch ein anderer Effekt dazu. Die
abgestriffenen Elektronen können sich über die gesamte Oberfläche verteilen.
Dies tun sie, weil sie sich gegenseitig abstoßen. Analog funktioniert das positive
Aufladen eines solchen Ballons. Diesmal springen Elektronen vom Ballon auf
den positiv geladenen Stab und hinterlassen am Ballon Elektronenmangel, also
eine positive Ladung.
Zur Bestimmung der Menge einer Ladung wird ein Elektroskop
verwendet. Die Ladungen verteilen sich über den Stab und den Zeiger. Die
abstoßenden Kräfte bewirken einen umso größeren Ausschlag, je größer die
Ladungsmenge ist. Mit einem Elektroskop kann man keinen Zahlenwert und kein
Vorzeichen für die Ladung bestimmen. Für die Ladung
wird der Formelbuchstabe Q verwendet - groß oder klein geschrieben ist
egal. Die Einheit
1 Coulomb entspricht einer riesigen Anzahl von Elementarladungen. In der Natur
finden Sie Beispiele für sehr große und sehr kleine Ladungsmengen.
Bei einem Blitz z.B. fließen etliche Coulomb in sehr kurzer Zeit; dies ist sehr
gefährlich. Bei der Entladung einer Person an einer Türklinke fließen nur
winzigste Bruchteile eines Coulomb. Deshalb ist das nur schmerzhaft, aber nicht
gefährlich. Heute gibt es Ladungsmessgeräte, die eine Anzeige in Coulomb
beinhalten. Diese Elektrometer
erlauben die Überprüfung, dass sich beim Laden mittels Reibungselektrizität
beide Materialien gegengleich laden. Taucht man z.B. eine mit Wachs überzogene
Kugel in destilliertes Wasser, dann zieht das Wachs Elektronen aus dem Wasser
an. Diesen Effekt nennt man Kontaktelektrizität.
Die Reibungselektrizität ist auch nichts anderes; hier wird der enge Kontakt
einfach durch Reiben hergestellt. Zum Abschluss der Sendung wird an die
Faszination erinnert, die Elektrizitätsexperimente an den Fürstenhöfen
des 18. Jahrhunderts auslösten. Damals war es üblich, dass Physiker ihre
Experimente zur Erbauung des Publikums präsentierten - so wie heute bei
Telekolleg-Physik.