Elektrische Grundgrößen

Elektrizitätslehre

Elektrische Grundgrößen

  • Was bedeuten eigentlich Volt …
  • … und Ampère?
  • … und was hat es mit dem OHMschen Gesetz auf sich?
  • Wie funktionieren elektrische Messgeräte?

Stromvorstellung - Stromrichtung

Die Versuche zur Elektrostatik (z.B. das Aufladen eine Löffels und das damit verbundene Aufblitzen einer Glimmlampe) legen die Vorstellung nahe, dass beim Ausgleich des "Überschusszustandes" mit dem "Mangelzustand" etwas fließt. Bis zur heutigen Stromvorstellung, die von Ampere eingeführt wurde, dauerte die Entwicklung doch eine Weile.

Große Fortschritte in der Wissenschaft über die Elektrizität waren ab dem Zeitpunkt möglich, als man dauerhafte Ladungsströme in ausreichender Stärke herstellen konnte. Dies war mit den sogenannten Voltaschen Säulen möglich, die auf Arbeiten von Volta und Galvani zurückgingen und etwa ab dem Jahr 1800 zur Verfügung standen.
So gelang Christian Oerstedt im Jahre 1820 der Nachweis, dass fließende Ladung von einem Magnetfeld begleitet ist. Oerstedt spricht aber nicht von einem elektrischen Strom, sondern von einem "elektrischen Konflikt" der die Ablenkung einer Magnetnadel bewirkt. Zu dieser Zeit stellte man sich vor, dass die "Pluselektrizität" und die "Minuselektrizität" im Draht aufeinandertreffen und dabei Wärme- und Lichterscheinungen und seit Oerstedt eben auch magnetische Erscheinungen hervorrufen.

Technische Stromrichtung nach Ampére

Erst Ampère führt den Strombegriff im heutigen Sinne ein und definiert eine Stromrichtung. Dabei orientiert er sich an einem Wasserzersetzungsapparat, den Sie aus dem Chemieunterricht vielleicht als "Hofmannschen Apparat" kennen:

Schließt man an den Wasserzersetzungsapparat die Pole einer Stromquelle an, so entsteht in dem mit dem Pluspol verbundenen Gefäß Sauerstoff (O2) und in dem mit dem Minuspol verbundenen Gefäß Wasserstoff (H2). Ampere legt als Stromrichtung (willkürlich) die Richtung vom "Sauerstoffdraht" zum "Wasserstoffdraht" fest.

Amperesche Definition der Stromrichtung (technische Stromrichtung)

Der elektrische Strom fließt vom "+"Pol zum "-"Pol

Warum keine Umstellung der technischen Stromrichtung?

Heute wissen wir, dass in Metallen ausschließlich die negativen Elektronen fließen, also eine Stromrichtung von "Minus nach Plus" sinnvoller wäre. Jedoch würde eine Umstellung der Stromrichtung einen hohen Änderungsaufwand in der Literatur bedeuten. Außerdem ist zu bedenken, dass es durchaus Materialien wie Halbleiter oder Elektrolyte gibt, in denen sich auch positive Ladungsträger bewegen.

André-Marie AMPÈRE (1775 - 1836)

von Ambrose Tardieu [Public domain], via Wikimedia Commons

André-Marie AMPÈRE war ein hochbegabtes Kind, das keine der großen Schulen besuchte. Er verschlang schon als Kinde jede Literatur, die ihm zu Hause in die Hände fiel. Als Dreizehnjähriger bat er den Bibliothekar der Bücherei in Lyon, ihm die Werke von Euler und Bernoulli (den damals führenden Mathematikern) auszuhändigen. Als der Bibliothekar meinte, dass diese Literatur für Ampère zu schwer sei und außerdem in dem für André unbekannten Latein geschrieben sei, erlernte er in wenigen Wochen das für das Verständnis wichtige Latein und studierte dann die mathematischen Werke.

In einem Vortrag hörte Ampère - als er schon Professor an der berühmten Ecole Polytechnique in Paris war - von den Entdeckungen Oersteds (Ablenkung einer Kompassnadel in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters). In eigenen Experimenten entdeckte er darüber hinaus, dass stromdurchflossene, gerade Leiter unter bestimmten Bedingungen Kräfte aufeinander ausüben können. Dazu wählte er u.a. das folgende Experiment:

Der obere, stromdurchflossene Drahtrahmen ist um die gestrichelte Achse drehbar (Drahtspitzen in mit Quecksilber gefüllten Stahlnäpfchen). Zwischen dem beweglichen Leiter CD und dem festen Leiter AB kommt es

  • zur Anziehung bei gleicher Stromrichtung
  • zur Abstoßung bei entgegengesetzter Stromrichtung

 

Hinweise:

  • Damit zur Drehung des Drahtrahmens nur ein kleines Drehmoment aufzuwenden ist, wurde bei H ein Ausgleichsgewicht angebracht.
  • Merke: "Gleichgerichtete Ströme" ziehen sich an, gleichnamige Ladungen stoßen sich ab u.u.

Nach sehr kurzer Zeit gelang es Ampère die mehr qualitativen Beobachtungen von Oersted und seine eigenen Beobachtungen in eine quantitative Theorie zu fassen und so die Grundlagen zu einer mathematischen Theorie des Elektromagnetismus zu legen. Das Wort Elektromagnetismus ist übrigens eine Wortschöpfung Ampères.

Neben den Kraftwirkungen zwischen den stromdurchflossenen Leitern fand Ampère (man nannte ihn den "Newton des Elektromagnetismus") noch Lösungen für eine ganze Reihe anderer Probleme. Den Permanentmagnetismus erklärte er durch elektrische Ströme in den Molekülen, er führte die stromdurchflossene Spule ein, die sich wie ein Stabmagnet verhält und entwickelte eine Wellentheorie der Wärmelehre.

Auf Vorschlag des deutschen Physikers Helmholtz wurde die Einheit der Stromstärke in Erinnerung an die großen Leistungen des Wissenschaftlers Ampère (A) benannt.

*In einem Brief (25.09.1820) Ampères wird deutlich, welchen Anstoße dieser Vortrag bei ihm auslöste:

"Doch meine ganze Zeit wurde von einem wichtigen Ereignis in meinem Leben in Anspruch genommen. Seit ich das erste Mal von der schönen Entdeckung des Monsieur Oersted, seines Zeichens Professor in Kopenhagen, über die Wirkung galvanischer Ströme auf die Magnetnadel gehört habe, geht sie mir nicht mehr aus dem Sinn, habe ich unaufhörlich an einer umfassenden Theorie dieser und aller anderen vom Magneten bekannten Erscheinungen gearbeitet und die aus dieser Theorie folgenden Experimente erprobt, die ausnahmslos gelungen sind und micht mit einer Fülle von neuen Tatsachen bekannt gemacht haben. Auf der Sitzung am Montag vor acht Tagen habe ich den Anfang des Berichts verlesen. An den folgenden Tagen führte ich, einmal mit Fresnel und einmal mit Despretz, die bestätigenden Experimente durch. Ich habe sie alle am Freitagabend bei Poisson wiederholt . . . . Alles gelang wunderbar, aber für das entscheidende Experiment, das ich als endgültigen Beweis vorgesehen hatte, waren zwei galvanische Elemente erforderlich. Bei mir zu Hause, wo Fresnel und ich es mit zu schwachen Säulen (Volta-Säulen) versucht hatten, war es mißlungen. Gestern bewilligte mir Dulong, dass mir Dumotier die große Säule verkauft, die er für den Physikkurs an der Fakultät hat bauen lassen; das Experiment wurde im Hause Dumotiers mit vollem Erfolg durchgeführt und heute um vier Uhr auf der Sitzung des Instituts wiederhol. Es wurden keine Einwände mehr erhoben, so dass wir jetzt eine neue Theorie des Magneten haben, die alle seine Erscheinungen auf den galvanischen Strom zurückführt. Das weicht von allen bisher gültigen Vorstellungen ab."

Aus der Reihe "Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik" gibt es den sehr schönen Film André-Marie Ampère und der Elektromagnetismus.

Maßeinheit Ampère

1 Anordnung zur Festlegung der Einheit für die elektrische Stromstärke über die chemischen Wirkung des Stroms

Ursprünglich verwandte man zur Festlegung der Stromstärkeeinheit die elektrolytische Wirkung des Stromes: Im Jahre 1881 legte man fest, dass genau dann der konstante Strom von 1A fließt, wenn aus einer Lösung von Silbernitrat in Wasser in einer Sekunde exakt 1,118mg (1mg = 1/1000g) Silber an der negativen Elektrode abgeschieden wird.

Diese Festlegung des Stromnormals hielt den immer höher werdenden Genauigkeitsansprüchen nicht mehr Stand, darüber hinaus war die elektrolytische Festlegung des Ampere nicht sehr praktikabel.

Im Jahre 1946 einigte man sich - international einheitlich - dann auf die noch heute gültige Amperedefinition, welche auf die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes zurückgeht:
Die Einheit 1 Ampere ist die Stärke eines zeitlich unveränderlichen elektrischen Stromes, der durch zwei im Vakuum parallel im Abstand 1 Meter voneinander angeordnete, geradlinige unendlich lange Leiter von vernachlässigbar kleinem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je ein Meter Leiterlänge die Kraft 2·10-7  Newton hervorrufen würde.



Hinweise:

  • 1 Newton (1N) ist die Einheit der Kraft, welche etwas später genauer erläutert wird. Ein Körper mit der Masse 100g besitzt bei uns die Gewichtskraft 1N. 1·10-7N ist der zehnmillionste Teil dieser Gewichtskraft.
  • In der Praxis hat man keine unendlich langen Leiter und auch die in der Definition genannte Kraft ist extrem klein. Zur Darstellung des Normals 1A verwendet man daher andere Leiteranordnungen und steckt eine komplizierte Theorie in die Auswertung.
  • Auch mit dem neuen Stromstärkenormal ist man inzwischen nicht mehr ganz zufrieden. Das Ampere ist von den Basisgrößen das ungenaueste Normal.

Luigi GALVANI (1737 - 1798)

Luigi GALVANI (1737-1798); unbekannter Autor [Public domain], via Wikimedia Commons

Eine Zufallsentdeckung Galvanis (Anatomieprofessor an der Universität von Bologna) führte zur Entwicklung der Batterien, wie wir sie noch heute in vielfältiger Form verwenden:

Luigi Galvani beobachtete, dass tote Frösche, die er in der Nähe einer Elektrisiermaschine lagerte zu zucken begannen als er sie mit einem Messer berührte.

Galvani schreibt (Text geringfügig abgeändert):
"Ich secirte einen Frosch, präparierte ihn und legt ihn auf einen Tisch, auf dem eine Electrisirmaschine stand, weit von deren Conductor getrennt. Wie nun der eine von den Leuten, die mir zur Hand gingen, mit der Spitze des Skalpellmessers die inneren Schenkelnerven des Frosches zufällig ganz leicht berührte, schienen sich alle Muskeln an den Gelenken wiederholt derart zusammenzuziehen, als wären sie anscheinend von heftigen tonischen Krämpfen befallen. Der andere aber, welcher uns bei den Electrizitätsversuchen behilflich war, glaubte bemerkt zu haben, dass sich das ereignet hätte, während dem Conductor der Maschine ein Funken entlockt wurde."

Nach der ersten zufälligen Entdeckung stellte Galvani systematische Beobachtungen an und stellte fest, dass die Froschbeine auch zuckten, wenn er sie nur mit zwei verschiedenen Metallen berührte (bei Abwesenheit einer Elektrisiermaschine). Galvani zog daraus - den falschen - Schluss, dass die Ursache für die Bewegung des Froschschenkels in diesem selbst lag. Er bezeichnete die vom Frosch ausgehende Elektrizität als animalische Elektrizität. Erst A. Volta konnte nachweisen, dass kein Unterschied zwischen der animalischen und der "normalen" Elektrizität bestand.

Der Name Galvanis ist heute u. a. durch die Begriffe Galvanismus (Lehre vom galvanischen Strom) und Galvanisieren (durch Elektrolyse mit Metall überziehen) bekannt.

Eine ausführlichere Darstellung der Experimente Galvanis findet man in dem gut lesbaren Artikel "Die Frösche Galavanis", den du dir bei Interesse hier einblenden lassen kannst.

Eine Seite für Kinder, die aber auch für einen Gymnasiasten lesenswert ist, findet man unter: http://www.physikfuerkids.de/historie/volgal/index.html

Alessandro VOLTA (1745 - 1827)

 

Hinweis: Die folgenden Informationen und Bilder stammen zum größten Teil aus der Ausstellung "Alessandro Volta - a modern scientist", die zum 250. Geburtstag von Alessandro Volta gestaltet wurde; die Texte wurden von LEIFIphysik aus dem Italienischen bzw. Englischen übersetzt.

The birth placeAlessandro Volta wurde in Como am 18. Februar 1745 geboren. Die Volta-Familie gehörte zur lombardischen Aristokratie und hatte enge Beziehungen zu kirchlichen Kreisen. Nach dem Tod seines Vaters übernahm sein Onkel die Erziehung.

Volta besuchte im Alter zwischen 13 und 16 Jahren die Jesuiten-Schule in Como und wechselte dann in das Benzi Seminar in Como. Alessandros Lehrer Pater Bonesi versuchte vergeblich, ihn für den kirchlichen Dienst zu gewinnen, auch die Bemühungen seines Onkels, ihn zum Jura-Studium zu bewegen, scheiterten. Voltas naturwissenschaftliche Interessen werden mit dem 18. Lebensjahr deutlich.

His first published workUm 1765 ist Volta ein häufiger Besucher des Hauses von Giulio Gattoni, wo er die Möglichkeit hat, dessen physikalisches Labor zu nutzen. Sein Interesse für die Elektrizitätslehre wird durch die Arbeiten seines Freunde Gattoni gefördert.

Im Jahre 1769 veröffentlicht Volta seine Dissertation (Doktorarbeit) "De vi attractiva ignis electrici ac phaenomenis inde pendentibus". Im Jahr 1774 wird er Direktor der höheren Schule in Como.

"Aula Volta" University of PaviaDurch die Hilfe von befreundeten Förderern unternimmt er 1777 seine erste wissenschaftliche Exkursion in die Schweiz, das Elsass und nach Savoyen. Hierbei trifft er so bekannte Naturforscher wie H.B. de Saussure and J. Senebier. Schließlich bekommt er 1778 den Lehrstuhl für Experimentalphysik an der Universität in Pavia.

Mit der Hilfe seiner Freunde und Förderer gelang es Volta die wissenschaftliche Ausbildung in der Lombardei zu reformieren.

Swiss AlpsIm Jahre 1780 geht der Wissenschaftler aus Como nach Florenz, besucht dort das königliche Museum für Naturwissenschaften und führt dort wissenschaftliche Arbeiten aus. Im September 1781 besucht er die Schweiz, das Elsass, Deutschland, Holland and Belgien und gegen Ende Dezember kommt er nach Paris. Hier bleibt er vier Monate und arbeitet bei Laplace und Lavoisier. 1782 ist er in London, 1784 in Wien und Berlin. Im folgenden Jahr wird er Rektor der Universität von Pavia. Als Folge seiner Arbeiten in der Elektrizitätslehre, Wärmelehre, Geologie und Chemie wurde Volta einer der bekanntesten Wissenschaftler in Europa.

Experience on animal electricityAm 22. November 1794 heiratet er Maria Teresa Peregrini, die im drei Söhne schenkt.

Nach Galvani's Veröffentlichung "De viribus electricitatis in motu musculari Commentarius" (1791), veröffentlicht Volta seine Deutungen der sogenannten "tierischen Elektrizität". Bringt man zwei verschiedene Metalle in Kontakt, so entsteht eine Spannung und diese ist die Ursache für das Zucken der Froschschenkel Galvanis.

The letter to the Royal Society "March 20th 1800"Volta untersuchte die Kontaktspannung zwischen den verschiedensten Metallen und stellt die elektrochemische Spannungsreihe auf. Darüber hinaus baute er die nach ihm benannte "Volta-Säule" mit der er hohe Spannungen erzeugen konnte. Mit der Volta-Säule war es - im Gegensatz zu den Elektrisiermaschinen - möglich, länger andauernde Ströme zu erzeugen. Damit eröffnete sich ein neues Teilgebiet der Elektrizitätslehre, die Elektrodynamik.

Im März 1800 informiert Volta die Royal Society von der Erfindung der Batterie. Im Jahre 1801 geht Volta nach Paris und stellt Napoleon seine Erfindung vor.

The presentation of the Voltaic Pile to Napoleone Bonaparte1805 gewährt ihm Napoleon eine jährliche Pension und ernennt ihn zum Ritter der Ehrenlegion. Auch Italien ehrt seinen berühmten Sohn mit zahlreichen Orden.

Von 1801 to 1812 bekleidet Volta zahlreiche öffentliche Ämter.

The house in Camnago Volta1819 zieht sich Volta ins Privatleben nach Como zurück. Nach einer kurzen Krankheit stirbt er 82jährig am 5. März 1827.

Giuseppe Bossi
(ca. 1810)

Andrea Appiani
(ca. 1810)

Giovita Garavaglia
(1814)

Giovanni Pedraglio
(1827)

Aus der Reihe "Meilensteine der Naturwissenschaft und Technik" gibt es den sehr schönen Film Alessandro Volta und die Batterie.
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