Induktion und Transformator

Im 18. Jahrhundert begannen Teile des Bürgertums (v.a. Akademiker) und auch einige Adlige zunächst in Frankreich die im Absolutismus herrschenden Zustände zu kritisieren. Man maß sie an dem, was man für ein Gebot des vernünftigen Denkens hielt. Der menschliche Verstand wurde zum Maßstab aller Dinge gemacht. Freiheit statt Absolutismus, Gleichheit statt Ständeordnung, Erfahrung, wissenschaftliche Erkenntnis statt Vorurteil und Aberglauben, Toleranz statt Dogmatismus - so lauteten die neuen Ideen. Statt auf ein Jenseits zu hoffen, sollten die Menschen voller Optimismus ihren Lebenssinn im Diesseits sehen; sie sollten Gutes tun, ihre Tugenden entfalten aus Einsicht in deren Richtigkeit und Nützlichkeit, nicht aus Furcht vor späteren Strafen (Fegefeuer, Hölle), wie es die Kirchen predigten. Die Menschen sollten über ihre politische, soziale und geistige Unterdrückung "aufgeklärt" werden. Wüssten sie erst um die Ursachen dieser Unterdrückung - so meinten die Aufklärer -, halte man ihnen die richtigen Ziele vor Augen, dann würden sie es einsehen und sich selbst befreien. Dabei ging die Aufklärung von der Annahme aus, dass der Mensch von Natur aus gut sei und man ihm das Richtige nur zeigen müsse, damit er es tut. Die Erziehung des Einzelnen galt als erster Schritt zu einer Veränderung der Gesellschaft; die aufgeklärten Menschen würden schließlich eine aufgeklärte Welt schaffen.

Deutsche Dichter der Aufklärung: Lessing; Wieland

Wie die Aufklärung ging die Klassik von der Erziehbarkeit des Menschen zum Guten aus. Ihr Ziel war die Humanität, die wahre Menschlichkeit (das Schöne, Gute, Wahre). Doch der Mensch sollte nicht nur einzelne Tugenden (z.B. Toleranz, Nächstenliebe) besitzen, sondern einem Ideal zustreben, das mit den Begriffen "Harmonie" und "Totalität" umschrieben wurde. Dies bedeutete, dass alle menschlichen Kräfte und Fertigkeiten ausgebildet werden sollten: Gefühl und Verstand, künstlerisches Empfinden und wissenschaftliches Denken, theoretisches Erfassen und praktische Umsetzung (Totalität). Dabei sollten diese Eigenschaften aber nicht im Widerspruch zueinander stehen, eine auf Kosten der anderen bevorzugt werden, sondern eine ausgewogene Einheit bilden (Harmonie).

Verwirklicht sah man dieses Ideal in der griechischen Antike; die Griechen des klassischen Altertums hätten - jeder Einzelne und die gesamte Gesellschaft - ihre Kräfte allseitig und harmonisch entfaltet wie kein Volk zuvor oder danach.

Wesentliche Vertreter der Klassik in der deutschen Literatur: Goethe; Schiller

Die Romantik lehnte die Wirklichkeit des ausgehenden 18. und beginnenden 19. Jh. radikal ab. Sie sah die Gesellschaft geprägt vom Gewinnstreben und vom bloßen Nützlichkeitsdenken des beginnenden industriellen Zeitalters. Den aufblühenden Naturwissenschaften warfen die Romantiker vor, sie würden alles mit dem Verstand erklären, alles auf seine Nützlichkeit, Verwertbarkeit untersuchen und keine Geheimnisse mehr lassen. Der bürgerliche Alltag erschien den Romantikern als grau, ohne Abwechslung, "prosaisch", beherrscht vom eintönigen bürgerlichen Berufsleben.

Gegenüber der so gesehenen Wirklichkeit feierte die Romantik die mythische Welt der Religion, sah daher im Mittelalter die ideale Zeit der Geschichte, da damals die Menschen im christlichen Glauben geeint gewesen seien. Die Romantik glaubte an die Macht des Ahnens, Schauens, der Intuition, pries das Reich der Phantasie und des Traums, bis hin zu den dunklen Bereichen der Seele. Die Romantiker pflegten die abgeschlossene Welt des intakten Freundeskreises, sie verehrten und sammelten die einfache Kunst des Volkes, da sie am ursprünglichsten sei, sie begeisterten sich für die Schönheit und Wildheit der Natur.

All diese Gegenwelten fassten die Romantiker unter dem Begriff der "Poesie" zusammen. Sie sei eine unermessliche, unerschöpfliche Kraft, ständig wachsend ("progressiv"), die den Urgrund aller Dinge bilde ("universal"). In den frühen Zeiten der Menschheitsgeschichte, der Zeit des Mythos, und im Mittelalter habe sie die Welt bestimmt, sei dann aber von der modernen Welt (Aufklärung) verdrängt worden und nur noch in der Volksliteratur, der Natur, in einzelnen Momenten des Lebens (Liebe) und in bestimmten Personen (v.a. Frauen, Kindern) zu entdecken. Beeinflusst waren die Romantiker von den Philosophen Johann Gottlob Fichte und Friedrich Wilhelm Schelling, die den Geist bzw. die Natur als grundlegendes Prinzip allen Seins betrachteten.

Wie der Begriff anzeigt, geht es dem Realismus um die Wirklichkeit, d.h. um das, was im 19. Jh. oft unter Wirklichkeit verstanden wurde: die beobachtbare, durch die Sinne wahrzunehmende Wirklichkeit des Menschen und der Natur. Eine solche Auffassung von Realität grenzte sich bewusst ab von jeglichem Übernatürlichem (z.B. Religion), das man als Illusion, als "unwirklich" ansah. Solchem Denken entsprach die gesellschaftlich-historische Entwicklung des 19. Jh. Das Materielle, Ökonomische gewann immer mehr an Bedeutung.

In diesem Umfeld konnten Ideen, wie sie z.B. von Charles Darwin formuliert wurden, entwickeln. Nach seiner Lehre ist die Natur geprägt vom Kampf der Arten um das Überleben. Nur diejenige Art setze sich durch, die sich der Umwelt am besten angepasst habe. Auch der Mensch sei Teil der Natur, das Produkt der Naturgeschichte (Evolution). Eine solche Auffassung widersprach der gängigen biblischen Lehre, nach der die Natur und v.a. der Mensch eine Schöpfung Gottes ist.

Der französische Physiker und Ingenieur leitete als Offizier einer technischen Truppe auf Martinique 1764-72 die Festungsbauten. Seine grundlegenden elektrischen und magnetischen Forschungsarbeiten brachten ihm militärische Anerkennung und Beförderungen, 1774 die Aufnahme in die Academie des sciences in Paris und schließlich die Stellung eines Generalinspektors des Unterrichtswesens ein (1804). Coulomb gehört zu den vielseitigsten Physikern des 18. Jahrhunderts.

Der wichtigste - auch heute noch vielzitierte - Forschungsbereich Coulombs betrifft die Elektrostatik. Er fand ein quantitatives Gesetz, welches die Kraftwirkung zwischen zwei ruhenden Ladungen beschreibt. Man nennt dieses Gesetz das "Coulombsche - Gesetz" (du wirst es in der Oberstufe noch kennenlernen*).

Zu Ehren Coulombs hat man die Einheit der elektrischen Ladung Q als 1 Coulomb bezeichnet: [Q] = 1C = 1As.

*Für die Kraft F zwischen zwei Ladungen Q₁ und Q₂ gilt nach Coulomb:

\[F \sim \frac{{{Q_1} \cdot {Q_2}}}{{{r^2}}}\]

Eine Entdeckung des Anatomieprofessors Luigi Galvani im Jahre 1780 führte zur Entdeckung der sogenannten "tierischen Elektrizität". Galvani brachte einige tote Frösche in die Umgebung einer Elektrisiermaschine (im Unterricht verwendet man heute als Elektrisiermaschine den Bandgenerator). Als Galvani während der Funkenentladung zufällig einen Froschschenkel mit einem Messer berührte zuckte dieser. Konnte man mit Elektrizität eventuell ein totes Wesen wieder zum Leben erwecken?

Für die weitere Entwicklung der Elektrizität war jedoch die Beobachtung wichtig, dass die Froschbeine auch zuckten (bei Abwesenheit einer Elektrisiermaschine), wenn man sie mit zwei verschiedenen Metallen berührte (vgl. Bild unten). Diese Entdeckung brachte später A. Volta auf die Idee wie eine Spannungsquelle aufzubauen ist (Voltasche Säule).

Auch ohne Elektrisiermaschine (nur mit zwei verschiedenen Metallen) kann man den Frosch zu Zuckungen veranlassen.	Titel der Originalarbeit von Galvani

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Der Mediziner Galvani glaubte, dass die von ihm beobachtete Elektrizität in den Nerven und Muskeln des von ihm untersuchten Frosches gespeichert sei ("animalische Elektrizität").
Durch systematische Versuche widerlegte der Physiker Volta diese Ansicht und kam zum Ergebnis, dass die elektrische Erscheinung durch die zwei verschiedenen Metalle hervorgerufen wird, die durch eine säurehaltige Zwischenlage getrennt sind. Volta legte auf seine Zungenspitze ein Stanniolblättchen und dahinter eine Silbermünze. Als sich die Metalle berührten trat in seinem Mund ein saurer Geschmack auf. Auch bei anderen Metallkombinationen war diese "Missempfindung" in unterschiedlicher Stärke zu beobachten. Auf rein subjektive Art stellte Volta so die Spannungsreihe der Metalle auf.

Schließlich stellte Volta fest, dass als Zwischenlage für die Metalle auch "tote Materie" wie z.B. eine in Salzwasser getränkte Pappscheibe geeignet ist. Diese Erkenntnis ließ ihn eine elektrische Quelle (die sogenannte Voltasche Säule) bauen, welche die Grundlage aller unserer heutigen Batterien ist.

Zu Ehren von Volta wurde die Einheit der Spannung weltweit auf 1 Volt festgesetzt: [U] = 1V

Mit der Entdeckung Voltas standen der Wissenschaft nun elektrische Quellen zur Verfügung, die über einen längeren Zeitraum ohne großen Aufwand betrieben werden konnten*. Dies führte zu einem rasanten Aufschwung in der Forschung.

*Hinweis: Mit elektrostatischen Maschinen ließen sich zwar hohe Spannungen erzeugen, die anschließende Entladung dauerte aber nur sehr kurze Zeit. Eine grobe Abschätzung zeigt, dass mit diesen Maschinen nur eine elektrische Leistung von 1 Watt zu erzielen war.
Die Spannung der Voltaschen Säule betrug zwar nur etwas mehr als 1 Volt pro Zelle. Man konnte aber viele Zellen hintereinander schalten und auf diese Weise höhere Spannungen erreichen (reiche Institute verfügten über Batterien mit bis zu 3000 Zellen). Der Strom, der von diesen Zellen geliefert werden konnte, betrug bis zu 10 Ampere. Die Leistung von guten galvanischen Anordnungen konnte bis zu 10 kW betragen, war also ca. 10000 mal höher als die von einer Elektrisiermaschine.

von der ersten Versuchsanordnung von Volta bis hin zur Voltaschen Säule

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[Public domain], via Wikimedia Commons Ambrose Tardieu

Ampère war primär Mathematiker, war aber umfassend begabt und beschäftigte sich z.B. mit der Chemie (der Name des Elements Chlor geht auf ihn zurück) und eher am Rande mit der Physik (diese mochte er als Lehrer nicht so gern, weil dort Experimente auszuführen waren).
Bei einem Vortrag in Paris hörte er von qualitativen Versuchen Oersteds über den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus. Innerhalb kürzester Zeit entwickelte er eine Theorie des Elektromagnetismus (diese Wortprägung stammt von Ampère), die er dann durch geeignete Experimente bestätigte.

Die Festlegung der technischen Stromrichtung vom Plus- zum Minuspol geht auf Ampere zurück.

Zur Würdigung seiner Verdienste um den Elektromagnetismus hat man die Einheit des elektrischen Stromes als ein Ampère festgelegt: [I] = 1A.

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Ende Juli 1820 wurde in der wissenschaftlichen Welt eine sensationelle Nachricht bekannt:
Einem dänischen Physikprofessor namens Christian Oersted gelang der Nachweis, dass ein elektrischer Strom eine ursprünglich parallel zu ihm ausgerichtete Magnetnadel ablenkt. Dies bedeutete, dass eine Verknüpfung der bis zu dieser Zeit getrennten Gebiete Elektrik und Magnetik bestand.
Die Nachricht schlug in den Zentren physikalischer Forschung wie eine Bombe ein und überall wurde der oerstedsche Versuch nachvollzogen. Die weitreichendensten Konsequenzen aus diesem Versuch wurden in Paris von Ampère gezogen, der in kürzester Zeit zu den qualitativen Versuchen Oersteds eine umfassende Theorie des Elektromagnetismus lieferte.

Wie kam Oersted auf die Idee zu seinem gar nicht so komplizierten Experiment?
Christian Oersted unternahm - wie in dieser Zeit üblich - eine Bildungsreise durch Europa und begegnete in Deutschland dem Philosophen Wilhelm von Schelling und dem Physiker Benjamin Thomson (später Graf Rumford).
Thompson konnte durch seine Versuche in der bayerischen Kanonenbohrerei einen Zusammenhang zwischen den ebenfalls bis dahin getrennt laufenden Gebieten Mechanik und Wärmelehre herstellen. Schelling der romantische Philosoph schwärmte von einem alles durchwirkenden Weltgeist. Man glaubt heute, dass diese Einflüsse bei Oersted nachwirkten. Er schreibt nämlich zu seinen Vorlesungen: "Diese Vorlesungen und die vorbereitenden Überlegungen veranlassten mich zu eingehenderen Nachforschungen als für normale Vorlesungen zulässig. So bildete sich meine frühe Überzeugung von der Einheit der elektrischen und magnetischen Kräfte mit noch größerer Klarheit heraus, und ich entschloss mich dazu meine Auffassung am Experiment zu überprüfen . . ."

Ohm stammte aus sehr einfachen Verhältnissen. Sehr lange hatte er Schwierigkeiten eine ihm angemessene Stelle an einer Universität zu finden. Erst sehr spät wurden seine Verdienste um die Elektrizitätslehre erkannt und honoriert.

Das nach ihm benannten "Ohmsche Gesetz" stellt einen Zusammenhang zwischen den drei Größen Strom I, Spannung U und Widerstand R her. Mit Hilfe dieses Gesetzes war es erstmals möglich Berechnungen in einfachen Stromkreisen durchzuführen.

Der berühmte Fechner (Fechnersches Gesetz) schreibt:
"Ohm ist das Verdienst beizumessen, mit den wenigen Buchstaben seiner einfachen Formel eine neue Epoche für die Lehre des Galvanismus begründet zu haben. . . . . Seine Formel verknüpft ein großes Gebiet von Erscheinungen, die früher chaotisch rätselhaft nebeneinander standen, und gibt sichere Anhaltspunkte für das Maß derselben; so dass erst jetzt eine wissenschaftiche Behandlung derselben möglich ist."

Zu Ehren von Simon Ohm wird weltweit die Einheit des elektrischen Widerstands mit "Ohm" bezeichnet: [R] = 1Ω

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Der Engländer Faraday machte zunächst eine Buchbinderlehre und wurde dann Assistent von Prof. Davy. Er war ein begnadeter Experimentator und entwickelte schließlich Ideen zum Verständnis des Elektromagnetismus, die heute noch Bestand haben (Feldbegriff). Aufgrund seiner Verdienste bekam er 1825 die Direktorenstellen des Laboratoriums der Royal Institution in London.

Die wichtigste Entdeckung Faradays, nämlich die elektromagnetische Induktion, wird in der 8. Klasse noch nicht besprochen. Sie wäre aber eigentlich die Voraussetzung, wenn man das Thema "Elektrifizierung" gründlich verstehen will. Damit du trotzdem eine Ahnung von der Arbeit Faradays bekommst, werden wir versuchen die Erkenntnisse Faradays mit einfachen Worten zu umschreiben.

Zunächst wiederholte Faraday die Experimente Oersteds, welche so großes Aufsehen in der wissenschaftlichen Welt erregten, da sie eine Verbindung der Gebiete Elektrik und Magnetik herstellten. Danach gelang ihm der nebenstehend schematisch dargestellte Versuch, welcher das Grundprinzip eines Elektromotors darstellt. Ein Leiter hängt von oben in die oberste Schicht eines Quecksilberbades (leitende Flüssigkeit), in dem sich ein Magnetpol (hier z.B. der Südpol eines Stabmagneten) befindet. Schaltet man den Strom durch den Leiter ein, so beginnt das bewegliche Leiterstück um den Magnetpol zu kreisen. Energetisch betrachtet wird bei diesem Versuch elektrische Energie der Batterie über eine magnetische Wechselwirkung in mechanische Energie (Rotation des Leiters) umgewandelt. Dies ist aber gerade das Grundprinzip des Elektromotors. Die nebenstehende Anordnung hatte allerdings noch keinerlei technische Bedeutung. Man könnte den Versuch aber auch so interpretieren, dass bei ihm elektrische Kräfte (sie bedingen den Stromfluss) in magnetische Kräfte (sie bedingen die Rotation des Leiters) transformiert werden.

Simon Ohm leitete sein Gesetz zunächst aus experimentellen Befunden her. Die theoretische Begründung erfolgte später in Analogie zur Wärmeströmung. Kirchhoff gelang ein umfassenderer theoretischer Ansatz, aus dem sich das Gesetz von Ohm, aber auch die beiden Kirchhoffschen Gesetze für den Stromkreis ergaben.

Mit diesen beiden Gesetzen gelingt es auch komplizierteste Schaltung zu berechnen.

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1846 erfand der den Zeigertelegraph. Mit ihm konnte eine Nachricht Buchstabe für Buchstabe über große Entfernungen übermittelt werden.

1847 gründete Werner von Siemens mit dem Universitätsmechaniker J.G. Halske das Unternehmen „Telegraphen-Bauanstalt Siemens & Halske“. Es war der Grundstein zu dem späteren Weltkonzern Siemens. Es setzte nun eine rasante Aufwärtsentwicklung ein, die nicht nur durch den genialen Erfinder, sondern auch durch den weitsichtigen Geschäftsmann Werner von Siemens geprägt war.

Im Jahre 1848 bekommt die junge Firma den Auftrag eine 500 km lange Telegrafenleitung zwischen Frankfurt und Berlin zu bauen. Es folgen weitere Großaufträge für das russische Ferntelegrafennetz (1855) und für die indo-europäische Telegrafenlinie von London nach Kalkutta (1870). Für die Überbrückung von Meeresstrecken entwickelt Siemens Tiefseekabel und lässt diese mit einem eigens dafür gebauten Schiff verlegen.

Neben diesen Großprojekten findet Siemens aber immer noch Zeit für die Verbesserung wichtiger Details: Für einen Eisenbahntelegrafen entwickelt er 1856 den ersten Doppel-T-Anker, der zu einer wesentlichen Verbesserung der zu dieser Zeit entwickelten Generatoren und Elektromotoren führte. Die wichtigste Erfindung des Werner von Siemens dürfte wohl der Generator (Maschine welche mechanische Energie in elektrische Energie wandelt) mit Selbsterregung sein, der nach dem dynamoelektrischen Prinzip arbeitet (1866). Für die von einem Generator benötigten Magnetfelder setzte man zunächst Permanentmagnete ein. Diese hatten jedoch ein sehr hohes Gewicht, verloren mit der Zeit ihren Magnetismus und waren für große Generatoren nicht "stark" genug. Es war also ein Ersatz der Permanentmagnete durch Elektromagnete wünschenswert. Für die Versorgung der Elektromagnete benötigte man aber eine elektrische Spannung, die durch den Generator erst erzeugt werden sollte. Dieses Dilemma konnte Siemens durch seinen selbsterregten Generator geschickt lösen (auf physikalische Details kann hier noch nicht eingegangen werden). Die Erfindung des Generators mit Selbsterregung durch Werner von Siemens leitete den weltweiten Siegeszug der Elektrotechnik ein.

In der nächsten Zeit folgte die Entwicklung von elektrifizierten Fortbewegungsmitteln wie die erste elektrische Eisenbahn (1879) und die erste elektrische Straßenbahn (1881)

Bilder teilweise aus dem Siemens-Archiv. Eine sehr schöne Seite über das Leben und die Leistungen von Siemens findet man bei der Werner-von-Siemens-Schule, Bochum unter der Adresse: http://www.bobi.net/wvsbo/wvs/index.htm

George Westinghouse war das achte von zehn Kindern eines Fabrikanten. Nach einer Zeit beim Militär arbeitete er zunächst in einer Fabrik seines Vaters und tüftelte an verschiedenen Verbesserungen von Maschinen und meldete diese zu Patenten an. Intensiv beschäftigte er sich mit Druckluftbremsen (in Ludwig Thomas Stück "Die Lokalbahn" ist vom Westinghouser die Rede; gemeint ist die Druckluftbremse der Dampflok) und mit Verteilungssystemen für das Gas, welches in den großen Städten für Beleuchtungszwecke eingesetzt wurde. Daneben wandte er sich auch der aufkommenden Telegraphie zu und entwickelte dort Ideen, wie der Verdrahtungsaufwand für die Vermittlung von Gesprächen reduziert werden kann. Schließlich wandte er sich der aufkommenden Elektrifizierung zu (mit Gas war nicht mehr so viel zu verdienen), die in Amerika durch Edison vorangetrieben wurde. Die von Edison verwendete Gleichspannung erkannt Westinghouse als nicht geeignet um größere Verteilungssysteme aufzubauen. Er kaufte in Europa Transformatoren und Wechselspannungsgeneratoren ein und sorgte mit Hilfe von Nicola Tesla zur World's Columbian Exposition in Chicago 1893 für die Beleuchtung mit seinem System. Während der Ausstellung kamen fast 30 Millionen Menschen nach Chicago, um das gigantische Lichtermeer von Westinghouse und Tesla zu sehen. Solche publikumswirksamen Erfolge, hauptsächlich aber die geringeren Kosten verhalfen dem Wechselspannungssystem von Westinghouse/Tesla zum Sieg über das von Edison propagierten Gleichspannungssystem. Edison versuchte mit allen Mitteln sein System zu halten, es kam zum sogenannten "Stromkrieg" zwischen Westinghouse und Edison. Illumination der Weltausstellung in Chicago

Wenn du dich noch etwas ausführlicher über Leben und Werk von Westinghouse beschäftigen willst, so gehe zu der folgenden ausführlichen Seite von Wikipedia.