Im Schulunterricht beginnt die Einführung in die Elektrizitätslehre meist mit einem einfachen Stromkreis, der mit einfachsten Elementen (Batterie, Kabel, Lämpchen, Schalter) aufgebaut wird. Zum besseren Verständnis der Vorgänge im elektrischen Keis wird meist ein Wasserstromkreis herangezogen, an dem man sich die Verhältnisse besser vorstellen kann.
Betrachtet man die geschichtliche Entwicklung der Elektrizitätslehre, so stellt man fest, dass sich die Wissenschaftler sehr lange Zeit mit ruhenden elektrischen Ladungen beschäftigten. Man nennt dieses Gebiet der Elektrizitätslehre die Elektrostatik. Eine kurze Geschichte der Elektrostatik findest Du bei LEIFI. Der Grund, dass die elektrischen Stromkreise - die heute eine so wichtige Rolle in unserem Alltagsleben spielen - erst so spät in den Blick der Wissenschaftler gelangten, ist die Tatsache, dass man vergleichsweise spät elektrische Quellen entdeckte, die für längere Zeit einen Strom durch einen elektrischen Kreis aufrecht erhalten konnten. Der Wissenschaftszweig, der sich mit fließenden elektrischen Ladungen und den damit verbundenen Erscheinungen beschäftigt wird - im Gegensatz zur Elektrostatik - mit Elektrodynamik bezeichnet.
Alessandro VOLTA baut eine belastbare Spannungsquelle
Zwar ahnte man schon vor der Erfindung der ersten praktikablen elektrischen Quellen im Jahre 1800 durch Alessandro VOLTA (1745 - 1827), dass fließende elektrische Ladung mit Leucht- und Wärmeerscheinungen verbunden sein kann. Auch die Magnetisierung von Eisen in der Umgebung starker Entladungsströme, wie sie z.B. bei Blitzen auftreten, war schon bekannt. Eine systematische Untersuchung all dieser neuen Erscheinungen war aber erst möglich, als verlässliche elektrische Quellen zur Verfügung standen.
Allessandro VOLTA griff die Beobachtungen von Luigi GALVANI (1737 - 1798) an Froschschenkeln auf. Während GALVANI glaubte, dass eine "tierische Elektrizität" die Ursache für das Zucken der Froschschenkel sei, kommt VOLTA durch zahlreiche Versuche zu dem Schluss, dass das Zucken des Froschschenkels ein Folge der Berührung der beiden verschiedenen Metalle (im Bild Kupfer und Eisen) ist. Der Froschschenkel ist also nur das "empfindliche Nachweisgerät" für die Elektrizität, die bei der Metallberührung entsteht.
VOLTA baute nun die nach ihm benannte VOLTA-Säule (Abb. 2 und 3) auf, bei der er mehrere Zink- und Kupferplatten abwechselnd aneinander reihte. Wiederholt verwandte er anstelle der Kupferplatten die teureren, aber besser geeigneten Silberplatten. Er schreibt sinngemäß:
"Ich beschaffte mir einige Dutzend kleiner runder Platten oder Scheiben aus Kupfer, Messing oder besser Silber, . . . und eine gleiche Anzahl Platten von Zinn oder was noch viel besser ist, Zink, von annähernd gleicher Gestalt und Größe; . . . man muss nur Acht geben, dass man sie bequem über einander in Gestalt einer Säule ordnen kann. Ich verfertige außerdem eine genügende Zahl runder Scheiben von Pappe, Leder oder anderem porösen Material, welches fähig ist, viel Feuchtigkeit oder Wasser aufzunehmen oder zurückzuhalten, womit sie gut getränkt sein müssen, damit der Versuch gelingt". Weiter schreibt er an anderer Stelle: "Ich lege also horizontal auf einen Tisch oder irgend eine andere Unterlage eine der metallischen Platten z.B. eine von Silber und auf diese passe ich eine von Zink, hierauf lege ich eine der feuchten Platten, darauf eine zweite Silberplatte, worauf unmittelbar eine von Zink folgt, auf die ich wieder eine feuchte Platte lege. . . . ich fahre so fort, sage ich, aus mehreren dieser Stockwerke eine so hohe Säule zu bauen, als sie sich halten kann, ohne umzufallen."
Wie sich später herausstellte, können die oberste und unterste Metallscheibe in der nach VOLTAs Beschreibung gefertigten Prinzipskizze (rechts) auch entfallen.
Während man zunächst glaubte, dass die galvanischen Elemente (dies ist der Übergriff für elektrische Quellen, die nach dem von VOLTA gefundenen Prinzip aufgebaut sind) unerschöpflich seien, erkannte Humphry DAVY (1778 - 1829), dass in den galvanischen Elementen chemische Prozesse ablaufen, die allmählich zu einer "Erschöpfung" der elektrischen Quelle führen.
In den Folgejahren beschäftigten sich in vielen Ländern begabte Wissenschaftler mit der "fließenden Elektrizität". Es wurden neue physikalische Begriffe wie die elektrische Spannung (Einheit: Volt), die elektrische Stromstärke (Einheit: Ampere) und der elektrische Widerstand (Einheit: Ohm) eingeführt und Zusammenhänge zwischen diesen Größen erkannt. Darüber hinaus konnten mit Hilfe der neuen elektrischen Quellen die Wirkungen des elektrischen Stroms sehr genau studiert werden. Für das tägliche Leben der Menschen hatte aber die Elektrizität zunächst noch keine wesentliche Bedeutung. Die Erfindung VOLTAs breitete sich wie ein Lauffeuer in Europa aus. Die Abb. 4 zeigt VOLTA, wie er im November 1801 in Paris dem naturwissenschaftlich sehr interessierten Napoleon seine Säule vorführt.
Erste Anwendungen von Stromkreisen
Erste Anwendungen fanden die galvanischen Elemente in der Galvanik, in der elektrischen Telegraphie und beim Betrieb von Bogenlampen. Das Licht der sehr hellen Bogenlampe war für die Beleuchtung in Haushalten zu grell und daher ungeeignet. Für kleinere Betriebe waren Bogenlampen in der Wartung zu umständlich und beim Betrieb mit galvanischen Zellen auch viel zu teuer. Die Beleuchtung im 19. Jahrhundert erfolgte daher weitgehend durch Petroleumlampen, deren Licht am Anfang der Entwicklung nicht sehr hell, deren Betrieb umständlich und deren Geruch nicht sehr angenehm war. In größeren Städten setzte sich ab etwa 1830 die Gasbeleuchtung durch. Die Versorgung mit Gas erfolgte zentral und zudem konnte das Gas auch zum Heizen und Kochen verwendet werden. Bogenlampen wurden zunächst nur zur Erleuchtung von großen Hallen und repräsentativen Plätzen eingesetzt. Erst als elektrische Quellen erfunden wurden, welche die galvanischen Elemente (begrenzte Lebensdauer, umständliche Wartung, sehr teuer) ersetzten, fanden die Bogenlampen größere Verbreitung.
Mit der Erfindung einer praxistauglichenr Glühlampe gegen Ende des 19. Jahrundert stand auch für Haushalte eine sinnvolle elektrische Beleuchtung zur Verfügung. Im Jahre 1882 versorgte Thomas Alva EDISON mittels unterirdisch verlegter Stromkreise in New York bereits 85 Haushalte mit Strom für die elektrische Beleuchtung. Die Versorgung mit elektrischer Energie erfolgte jedoch nicht mehr durch galvanische Zellen, sondern durch Generatoren, die mit Dampfmaschinen betrieben wurden.
Installation von Stromkreisen
Heute sind wir es gewohnt, dass die vielen Stromkreise, die es in einem modernen Haushalt gibt, kaum sichtbar sind, da die elektrischen Leitungen meist unter dem Putz verlegt werden. Voraussetzung hierfür sind gute Isolationsmaterialien, die verhindern, dass die elektrischen Leiter (meist Kupferkabel) keinen leitenden Kontakt zu den Wänden haben. Im 19. Jahrhundert verlegte man die Leitungen auf Putz. Als Isolation der Kupferdrähte wurde meist Guttapercha, eine kautschukartige Substanz verwendet, deren Qualität mit den heutigen Kunststoff-Isolatoren nicht vergleichbar ist. Im Abstand von ca. \(1\,\rm{m}\) wurden die Leitungen durch einen Kabelträger, der meist aus Porzellan war, an der Wand befestigt (Abb. 5).