Elektrotechnik Grundlagen

Bereits in der frühgeschichtlichen Zeit, weit vor Beginn der industriellen Revolution, hatten die Menschen Erfahrung mit Elektrizität und den daraus resultierenden Phänomenen. Vielfach wurden die Erscheinungen mit Göttern in Verbindung gebracht, z.B. in Form eines Gewittergottes, der für Blitze verantwortlich ist. Es gab auch Philosophen und Mathematiker wie Thales von Milet, Aristoteles oder Plinius, die sich über Elektrizität Gedanken machten und Vermutungen aufstellten. Diese Zeit kann man in der langen Geschichte der Elektrotechnik als die Geburtsstunde der wissenschaftlichen Erforschung betrachten. Thales von Milet rieb ein Stück Bernstein an einem Tierfell und machte dabei die verblüffende Entdeckung, dass kleine Fellhaare am Bernstein hängen blieben. Er konnte sich den Vorgang zwar nicht erklären, die Elektrizität wurde jedoch entdeckt. Etwa 200 n.Chr. beschrieb Alexander von Aphrodisios die elektrostatischen Erscheinungen am Bernstein, wovon der Name Elektrizität abgeleitet wird, denn "elektron" ist das griechische Wort für Bernstein. Die Grundlagen der Elektrotechnik waren somit bereits sehr früh gelegt.

Auch in der Zeit danach versuchten viele Wissenschaftler, die elektrischen und magnetischen Erscheinungen zu erforschen und zu erklären. In der weiteren Entwicklung wurden die Eigenschaften von elektrischer Ladung, elektrischer Funken, elektrische Kräfte, die Fortleitung der Elektrizität und weitere wichtige Themengebiete erforscht. Zum endgültigen Durchbruch der Elektrotechnik verhalfen zwei Wissenschaftler bzw. Erfinder im 19. Jahrhundert. James C. Maxwell schrieb 1873 das Werk "Treatise on Electricity" und beschrieb dabei mit den maxwellschen Gleichungen vollständig die Elektrizität. Thomas A. Edison begann, die Elektrizität gewinnbringend zu nutzen. Er meldete viele Patente an und gründete viele Firmen. Unter anderem entwickelte er die Glühlampe, die dafür sorgte, dass das elektrische Versorgungsnetz sich rasant ausbreitete. So konnte eine komplette Kette aus Stromerzeugung, Stromverteilung und brauchbaren Konsumentenprodukten aufgebaut werden. Elektrische Energie war deshalb bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts für viele Menschen verfügbar und die Elektrifizierung der Welt begann.

Mit Elektrizität sind im Allgemeinen alle Erscheinungen gemeint, die auf elektrische Ladungen zurückzuführen sind. Das beinhaltet auch elektrische und magnetische Felder. Mit elektrischer Ladung sind, wie bei der Reibung mit Bernstein, die Eigenschaften von Stoffen gemeint, die elektrische Kräfte durch Anziehung oder Abstoßung hervorrufen können. Abstoßung tritt bei gleich geladenen und Anziehung bei unterschiedlich geladenen Körpern auf. Unterschiedlich geladene Körper streben immer nach Ausgleich der Ladungsdifferenz, um einen neutralen Zustand zu erreichen. Treffen ungleich geladene Körper aufeinander, erfolgt ein Elektronenübergang. Dabei gehen negativ geladene Elektronen vom Körper mit Elektronenüberschuss zum Körper mit Elektronenmangel und schaffen so einen neutralen Zustand.

Elektrische Ladung: Grundlagen der Elektrotechnik

Damit erhält man die wichtige Erkenntnis, dass ein Körper elektrisch geladen ist, wenn die Anzahl der positiven Ladungen und die Anzahl der negativen Ladungen unterschiedlich sind. Ein Körper kann positiv oder negativ geladen sein. Ist der Körper positiv geladen, gibt es mehr positive Ladungen als negative. Ist der Körper negativ geladen, gibt es mehr negative Ladungen. Berührt ein geladener Körper einen anderen Körper, der unterschiedlich geladen ist, erfolgt der Übergang der negativen Ladungen und ein Ausgleich findet statt. Damit ist auch das Phänomen mit dem Bernstein erklärbar. Reibt man ein Bernstein mit einem Fell, wird der Bernstein negativ geladen und das Fell positiv, indem die negativen Ladungen vom Fell zum Bernstein übergehen. Diesen Vorgang nennt man Ladungstrennung. Hört man mit dem Reiben auf, versuchen die negativ geladenen Elektronen auf dem Bernstein einen Ausgleich zu schaffen und es erfolgt eine Anziehung mit den Fellpartikeln.

Dadurch erhält man die nächste wichtige Erkenntnis, nämlich dass elektrische Ladung durch Ladungstrennung entsteht. Man trennt die negativen Ladungen von den positiven Ladungen und sorgt so für ein Ausgleichsstreben. Positive Ladungen nennt man Protonen und negative Ladungen werden Elektronen genannt. Es gibt auch neutrale Ladungen, die Neutronen heißen. Im Normalzustand besitzt Materie die gleiche Anzahl an Protonen und Elektronen und ist nach außen elektrisch neutral.

Positive, negative, neutrale Ladung

Um zu verstehen, warum man durch Ladungstrennung Körper elektrisch laden kann, betrachtet man die kleinste Einheit von Materie. Das ist das Atom und es besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Die positiv geladenen Protonen bilden mit den neutralen Neutronen den Kern des Atoms. Um den Kern herum sind die negativ geladenen Elektronen, die als Hülle des Atoms fungieren. Im Normalzustand sind die Anzahl der Elektronen und Protonen identisch. Ist ein Atom elektrisch geladen, nennt man das Atom Ion. Deshalb nennt man den Vorgang der Ladungstrennung auch Ionisieren. Um Materie zu ionisieren, wird Energie benötigt. Das Ionisieren geschieht entweder in Kraftwerken (Kohle-, Gas-, Wasser-, Atomkraftwerke etc.) oder durch andere Energieformen wie z.B. Wind- und Sonnenenergie.