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  eDrive - Elektrizität 1



Vermutlich kennen Sie den Versuch noch aus der Schulzeit, wie man durch Reiben eines Stabes z.B. aus Kunststoff an einem Tuch Ladung erzeugt. Das bedeutet, unser Wissen über das Wesen der Elektrizität ist viel älter als deren Nutzung. Der Begriff stammt aus dem Griechischen und ist die Übersetzung von 'Bernstein', an dem man die entsprechenden Phänomene wohl zum ersten Mal gefunden hat.

Die Zeit um 1800 brachte die Verbindung von Ladung durch Reibung z.B. von Bernstein hin zum Magnetismus. Man war durch die erste Batterie von Volta 1799 in der Lage, elektrochemisch Strom zu speichern und damit auch einigermaßen kontinuierlich fließen zu lassen. Der dänische Physiker Hans Christian Ørsted war der erste, der die magnetische Wirkung eines stromdurchflossenen Drahtes mit Hilfe einer Kompassnadel sichtbar machte.

Damit es zu einem Stromfluss kommt, müssen je ein positiver und ein negativer Pol vorhanden sein. Diese Unterscheidung war auch schon vorher bekannt, denn wenn man einen Bernstein- oder auch Glasstab mit Seide reibt, entstehen Ladungen, die bewirken, dass sich solcherart behandelte Seidentücher und auch Glasstäbe gegenseitig abstoßen, umgekehrt natürlich Seidentuch und Glasstab anziehen.

So entstehen der gedachte Überschuss und der Mangel an Ladungen, das Plus und das Minus. Erst später entdeckte man den Träger der Ladung, das Elektron. Und da man den vermeintlichen Überschuss an Ladung als Plusseite schon festgelegt hatte, musste man nun dem Träger die negative Seite zuordnen. Seitdem ist der gedachte Überschuss an Ladungen ausgerechnet auf der Minusseite in Form von Elektronen zu suchen.

Das Elektron legt die kleinstmögliche Einheit für die Ladung fest. Wenn es überhaupt einen dingfest zu machenden Ort hätte, wäre der in der äußerst luftigen Hülle eines jeden Atoms, in der Anzahl angeglichen an die Zahl der Protonen mit positiver Ladung im vergleichsweise winzigen, aber massiven Kern. Wie damit schon angedeutet, tritt es als Materie und auch als Welle auf.

Als Materie aufgefasst kann man dem Elektron eine Masse zuordnen, die dann etwa 2000 Mal geringer ist als die des Protons. Trotzdem ergibt sich von den Ladungen her immer ein gleichbleibender Erhalt. Der mit 'Aufladen' bezeichnete Vorgang schafft im Prinzip eine veränderte Verteilung von Ladungen, die durch den 'Verbrauch' an elektrischer Energie wieder ausgeglichen wird. So bleibt die elektrische Ladung insgesamt konstant.

Strom entsteht also durch sich bewegende Ladung. Dazu gibt es Materialien, in denen das vergleichsweise gut gelingt, wie beispielsweise Metalle, und solche, die Ladungsbewegungen nicht erlauben, wie z.B. Porzellan. Erstere werden Leiter, letztere Nichtleiter genannt. Grundsätzlich ist die Leitfähigkeit je nach Werkstoff unterschiedlich. Gold. Silber und Kupfer gelten als sehr gute Leiter.

Zum Leiten von Strom sind sogenannte 'freie' Elektronen nötig. Infrage kommen immer die auf der äußersten Schale, wenn man ein bestimmtes Atommodell zugrunde legt, in diesem Fall das von Niels Bohr. Je mehr es sind und je weiter sie vom Atomkern mit der umgekehrten, positiven Ladung entfernt sind, desto freier, also leichter beweglich sind sie. Trennt man beim 'Laden' das Elektron vom seinem Atomkern, so wird das Atom insgesamt positiver.

So entsteht beim Laden einer Batterie ein positiver Pol mit Elektronenmangel und ein negativer mit Elektronenüberschuss. Verbindet man beide Pole ohne einen zusätzlichen Verbraucher oder Widerstand, so entsteht ein Kurzschluss. Dabei fließt je nach Anzahl überschüssiger Elektronen ein großer Strom, der den verbindenden Draht zum Glühen bringen kann.

Solche Vorgänge sind also fast immer mit Wärmeentwicklung verbunden und können auch die Batterie nachhaltig schädigen. Denn der Ablauf der chemischen Vorgänge dort braucht eine gewisse Zeit. Um die Leitung herum bildet sich auch bei geringerem Stromfluss ein kreisförmiges Magnetfeld, dessen Richtung von der Polung der Leitung abhängt. Dreht man die um, so kehrt auch eine Kompassnadel als gedachte Tangente an einen Kreis um die Leitung ihre Ausrichtung um.

Diese im Kreis auf die Kompassnadel wirkende Anziehungskraft kann repräsentiert werden durch eine von mehreren Kraft- oder Feldlinien. Neben der Richtung gibt es auch eine Größe der Kraft, mit der die Nadel herumgerissen wurde. Sie kennen vielleicht noch die zweidimensionale Sichtbarmachung von Feldlinien mit Hilfe von Eisenfeilspänen. Es bilden sich Feldlinien von der positiven Seite weg hin zur negativen, je stärker das Feld, desto dichter die Linien.

Elektrische Felder spielen jedes Mal eine Rolle, wenn etwas rein elektrisch ohne Leitungsverbindung übertragen werden soll, Funkverbindungen diesmal ausgenommen. Das ist z.B. beim alten Röhrenfernseher der Fall, wo Elektronen an der dem Bildschirm gegenüberliegenden Seite erzeugt und von dort gezielt abgelenkt auf den Schirm gelenkt werden, so schnell, dass unser Auge die entstehenden Punkte als vollständiges Bild wahrnimmt.

Wir brauchen elektrische Felder hauptsächlich beim Betrieb von E-Motoren ohne Kohlebürsten und beim induktiven Laden. Gerade bei ersteren reicht auch die durch ein Paket von Leitungen ausgeübte Kraft kaum aus. Sie muss durch besondere Materialien verstärkt werden. Um die geforderte Materialbeschaffenheit besser beschreiben zu können, sollten wird uns z.B. zu magnetisierendes Metall als aus kleinsten Einzelmagneten zusammengesetzt vorstellen.

Die Physik beschreibt diese als 'System aus zwei entgegengesetzt gleichen Punktladungen'*, auch Dipole genannt. Wenn wir also mit einem gewöhnlichen Schraubenzieher eine Schraube aus der Versenkung hervorholen wollen, wo vielleicht ein vorhandener Magnetstab mit rechteckigem Querschnitt nicht hinkommt, dann reicht es, in einer Richtung den Stabmagnet langsam über den metallischen Teil des Schraubenziehers gleiten zu lassen und der wird magnetisch.

Magnetismus entsteht, wenn man die Dipole in einem Werkstoff ordnet. Jetzt gibt es allerdings Werkstoffe, bei denen das etwas einfacher geht als bei anderen. In E-Motoren sind solche gefordert, bei denen das besonders schnell geht. Auch die Form des zu magnetisierenden Materials spielt eine Rolle. Sie haben vielleicht schon einmal von sogenannten 'Transformatorblechen' gehört oder solche teilweise demontiert. Das sind Bleche aus Weicheisen, die aufeinander gelegt eine ziemlich flexible Ausrichtung von Dipolen erlauben.

*Physik, ISBN978-3-642-54165-0, S. 675







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