Elektrizität

Blitze und Stadtbeleuchtung gehören zu den dramatischsten Auswirkungen der Elektrizität ⓘ

Elektrizität ist die Gesamtheit der physikalischen Phänomene, die mit dem Vorhandensein und der Bewegung von Materie verbunden sind, die die Eigenschaft der elektrischen Ladung hat. Die Elektrizität ist mit dem Magnetismus verwandt, da beide Teil des Phänomens des Elektromagnetismus sind, der durch die Maxwellschen Gleichungen beschrieben wird. Verschiedene allgemeine Phänomene werden mit Elektrizität in Verbindung gebracht, darunter Blitze, statische Elektrizität, elektrische Heizung, elektrische Entladungen und viele andere. ⓘ

Das Vorhandensein einer elektrischen Ladung, die entweder positiv oder negativ sein kann, erzeugt ein elektrisches Feld. Die Bewegung von elektrischen Ladungen ist ein elektrischer Strom und erzeugt ein Magnetfeld. ⓘ

Wenn eine Ladung an einem Ort mit einem elektrischen Feld ungleich Null platziert wird, wirkt eine Kraft auf sie. Die Größe dieser Kraft wird durch das Coulombsche Gesetz bestimmt. Wenn sich die Ladung bewegt, würde das elektrische Feld Arbeit an der elektrischen Ladung verrichten. Daher kann man von einem elektrischen Potenzial an einem bestimmten Punkt im Raum sprechen, das der Arbeit entspricht, die ein äußeres Mittel verrichtet, wenn es eine Einheit positiver Ladung ohne Beschleunigung von einem beliebig gewählten Bezugspunkt zu diesem Punkt transportiert, und das normalerweise in Volt gemessen wird. ⓘ

Elektrizität ist das Herzstück vieler moderner Technologien und wird für folgende Zwecke verwendet:

• Elektrische Energie, bei der elektrischer Strom verwendet wird, um Geräte mit Energie zu versorgen;
• Elektronik, die sich mit elektrischen Schaltungen befasst, die aktive elektrische Komponenten wie Vakuumröhren, Transistoren, Dioden und integrierte Schaltkreise sowie damit verbundene passive Verbindungstechnologien umfassen. ⓘ

Elektrische Phänomene werden seit der Antike erforscht, obwohl die Fortschritte im theoretischen Verständnis bis zum siebzehnten und achtzehnten Jahrhundert nur langsam vorankamen. Die Theorie des Elektromagnetismus wurde im 19. Jahrhundert entwickelt, und gegen Ende dieses Jahrhunderts wurde die Elektrizität von Elektroingenieuren für industrielle und private Zwecke genutzt. Die rasante Entwicklung der Elektrotechnik in dieser Zeit veränderte Industrie und Gesellschaft und wurde zur treibenden Kraft der zweiten industriellen Revolution. Die außerordentliche Vielseitigkeit der Elektrizität bedeutet, dass sie für eine fast unbegrenzte Anzahl von Anwendungen eingesetzt werden kann, darunter Transport, Heizung, Beleuchtung, Kommunikation und Computer. Die elektrische Energie ist heute das Rückgrat der modernen Industriegesellschaft. ⓘ

Zusammenhang wichtiger elektrischer Größen ⓘ

Vorgänge, bei denen keine zeitliche oder keine wesentliche zeitliche Änderung auftritt, werden der Elektrostatik zugeordnet. Vorgänge, bei denen die zeitliche Änderung einen wesentlichen Einfluss hat, werden zur Elektrodynamik gezählt. ⓘ

Die Elektrizität ist ein Teilgebiet des Elektromagnetismus. Die zugrundeliegende Grundkraft heißt elektromagnetische Wechselwirkung. ⓘ

Geschichte

Thales, der früheste bekannte Erforscher der Elektrizität ⓘ

Schon lange vor dem Wissen um die Elektrizität kannten die Menschen Schocks durch elektrische Fische. In altägyptischen Texten aus dem Jahr 2750 v. Chr. wurden diese Fische als "Donnerer des Nils" bezeichnet und als "Beschützer" aller anderen Fische beschrieben. Auch Jahrtausende später berichteten griechische, römische und arabische Naturforscher und Ärzte über elektrische Fische. Mehrere antike Schriftsteller wie Plinius der Ältere und Scribonius Largus bescheinigten die betäubende Wirkung von Elektroschocks, die von elektrischen Welsen und elektrischen Strahlen abgegeben wurden, und wussten, dass solche Schocks auf leitenden Gegenständen übertragen werden konnten. Patienten mit Beschwerden wie Gicht oder Kopfschmerzen wurden angewiesen, elektrische Fische zu berühren, in der Hoffnung, dass der starke Stromstoß sie heilen würde. ⓘ

Antike Kulturen rund um das Mittelmeer wussten, dass bestimmte Gegenstände wie Bernsteinstangen mit Katzenfell eingerieben werden konnten, um leichte Gegenstände wie Federn anzuziehen. Thales von Milet machte um 600 v. Chr. eine Reihe von Beobachtungen über statische Elektrizität, aus denen er schloss, dass Bernstein durch Reibung magnetisch wurde, im Gegensatz zu Mineralien wie Magnetit, die kein Reiben benötigten. Thales irrte sich, als er glaubte, die Anziehungskraft sei auf einen magnetischen Effekt zurückzuführen, aber spätere Forschungen bewiesen eine Verbindung zwischen Magnetismus und Elektrizität. Eine umstrittene Theorie besagt, dass die Parther möglicherweise über Kenntnisse in der Galvanotechnik verfügten. Dies geht aus der 1936 entdeckten Bagdad-Batterie hervor, die einer galvanischen Zelle ähnelt, obwohl nicht sicher ist, ob das Artefakt elektrischer Natur war. ⓘ

Benjamin Franklin führte im 18. Jahrhundert umfangreiche Forschungen zur Elektrizität durch, wie Joseph Priestley (1767) History and Present Status of Electricity dokumentiert, mit dem Franklin einen umfangreichen Briefwechsel führte. ⓘ

Jahrtausendelang blieb die Elektrizität nur eine intellektuelle Kuriosität, bis der englische Wissenschaftler William Gilbert im Jahr 1600 das Werk De Magnete verfasste, in dem er Elektrizität und Magnetismus eingehend untersuchte und den lodestone-Effekt von der statischen Elektrizität unterschied, die durch das Reiben von Bernstein entsteht. Er prägte das neulateinische Wort electricus ("von Bernstein" oder "wie Bernstein", von ἤλεκτρον, elektron, dem griechischen Wort für "Bernstein"), um die Eigenschaft zu bezeichnen, kleine Gegenstände anzuziehen, nachdem sie gerieben wurden. Aus dieser Assoziation entstanden die englischen Wörter "electric" und "electricity", die erstmals in Thomas Brownes Pseudodoxia Epidemica von 1646 gedruckt wurden. ⓘ

Weitere Arbeiten wurden im 17. und frühen 18. Jahrhundert von Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray und C. F. du Fay durchgeführt. Später im 18. Jahrhundert führte Benjamin Franklin umfangreiche Forschungen auf dem Gebiet der Elektrizität durch und verkaufte seine Besitztümer, um seine Arbeit zu finanzieren. Im Juni 1752 soll er einen Metallschlüssel an der Unterseite einer gedämpften Drachenschnur befestigt und den Drachen in einen sturmgefährdeten Himmel steigen lassen haben. Eine Reihe von Funken, die von dem Schlüssel auf seinen Handrücken sprangen, zeigte, dass Blitze tatsächlich elektrischer Natur waren. Er erklärte auch das scheinbar paradoxe Verhalten der Leydener Flasche als Gerät zur Speicherung großer Mengen elektrischer Ladung mit der Tatsache, dass Elektrizität aus positiven und negativen Ladungen besteht. ⓘ

Michael Faradays Entdeckungen bildeten die Grundlage der Elektromotorentechnik ⓘ

1775 berichtete Hugh Williamson der Royal Society über eine Reihe von Experimenten zu den Schocks des Zitteraals; im selben Jahr beschrieb der Chirurg und Anatom John Hunter die Struktur der elektrischen Organe des Fisches. 1791 veröffentlichte Luigi Galvani seine Entdeckung der Bioelektromagnetik und wies nach, dass Elektrizität das Medium ist, über das Neuronen Signale an die Muskeln weiterleiten. Alessandro Voltas Batterie oder Voltascheibe von 1800, die aus abwechselnden Schichten von Zink und Kupfer bestand, bot den Wissenschaftlern eine zuverlässigere Quelle für elektrische Energie als die zuvor verwendeten elektrostatischen Maschinen. Die Anerkennung des Elektromagnetismus, der Einheit von elektrischen und magnetischen Phänomenen, ist Hans Christian Ørsted und André-Marie Ampère in den Jahren 1819-1820 zu verdanken. Michael Faraday erfand 1821 den Elektromotor, und Georg Ohm analysierte 1827 mathematisch den elektrischen Stromkreis. Elektrizität und Magnetismus (und Licht) wurden von James Clerk Maxwell endgültig miteinander verknüpft, insbesondere in seinem Werk "On Physical Lines of Force" von 1861 und 1862. ⓘ

Während das frühe 19. Jahrhundert rasante Fortschritte in der Elektrizitätswissenschaft mit sich brachte, war das späte 19. Durch Menschen wie Alexander Graham Bell, Ottó Bláthy, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Ányos Jedlik, William Thomson, 1. Baron Kelvin, Charles Algernon Parsons, Werner von Siemens, Joseph Swan, Reginald Fessenden, Nikola Tesla und George Westinghouse wurde die Elektrizität von einer wissenschaftlichen Kuriosität zu einem unverzichtbaren Werkzeug des modernen Lebens. ⓘ

Im Jahr 1887 entdeckte Heinrich Hertz, dass mit ultraviolettem Licht beleuchtete Elektroden leichter elektrische Funken erzeugen. 1905 veröffentlichte Albert Einstein eine Arbeit, in der er die experimentellen Daten des photoelektrischen Effekts damit erklärte, dass die Lichtenergie in diskreten, gequantelten Paketen transportiert wird und Elektronen anregt. Diese Entdeckung löste die Quantenrevolution aus. Einstein erhielt 1921 den Nobelpreis für Physik für "seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effekts". Der photoelektrische Effekt wird auch in Photozellen genutzt, wie sie in Sonnenkollektoren zu finden sind, und wird häufig zur kommerziellen Stromerzeugung eingesetzt. ⓘ

Das erste Festkörpergerät war der "Katzenschnurrbart-Detektor", der um 1900 erstmals in Radioempfängern eingesetzt wurde. Ein schnurrhaarähnlicher Draht wird leicht mit einem festen Kristall (z. B. einem Germaniumkristall) in Kontakt gebracht, um ein Funksignal durch den Kontaktübergangseffekt zu erfassen. In einem Festkörperbauteil ist der Strom auf feste Elemente und Verbindungen beschränkt, die speziell zum Schalten und Verstärken des Stroms entwickelt wurden. Der Stromfluss kann in zwei Formen verstanden werden: als negativ geladene Elektronen und als positiv geladene Elektronenmängel, die Löcher genannt werden. Diese Ladungen und Löcher werden mit Hilfe der Quantenphysik verstanden. Das Baumaterial ist in den meisten Fällen ein kristalliner Halbleiter. ⓘ

Die Festkörperelektronik kam mit dem Aufkommen der Transistortechnologie zu ihrem Recht. Der erste funktionierende Transistor, ein Punktkontakttransistor auf Germaniumbasis, wurde 1947 von John Bardeen und Walter Houser Brattain in den Bell Labs erfunden, gefolgt vom bipolaren Übergangstransistor im Jahr 1948. Bei diesen frühen Transistoren handelte es sich um relativ sperrige Geräte, die sich nur schwer in Massenproduktion herstellen ließen. Es folgte der MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor oder MOS-Transistor) auf Siliziumbasis, der 1959 von Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng in den Bell Labs erfunden wurde. Er war der erste wirklich kompakte Transistor, der miniaturisiert und in Massenproduktion für eine Vielzahl von Anwendungen hergestellt werden konnte und die Siliziumrevolution einleitete. Ab den 1960er Jahren setzten sich Festkörperbauelemente durch, und zwar mit dem Übergang von der Vakuumröhre zu Halbleiterdioden, Transistoren, integrierten Schaltkreisen (IC), MOSFETs und der Leuchtdiodentechnologie (LED). ⓘ

Das gebräuchlichste elektronische Bauelement ist der MOSFET, der zum meistproduzierten Bauelement der Geschichte geworden ist. Zu den gängigen Festkörper-MOS-Bauteilen gehören Mikroprozessorchips und Halbleiterspeicher. Eine besondere Art von Halbleiterspeicher ist der Flash-Speicher, der in USB-Flash-Laufwerken und mobilen Geräten verwendet wird, sowie die Solid-State-Drive-Technologie (SSD), die die Technologie der mechanisch rotierenden magnetischen Festplattenlaufwerke (HDD) ersetzt. ⓘ

Konzepte

Elektrische Ladung

Eine Ladung auf einem Blattgold-Elektroskop bewirkt, dass sich die Blätter sichtbar abstoßen ⓘ

Das Vorhandensein von Ladungen führt zu einer elektrostatischen Kraft: Ladungen üben eine Kraft aufeinander aus, ein Effekt, der schon in der Antike bekannt war, wenn auch nicht verstanden wurde. Eine leichte Kugel, die an einer Schnur aufgehängt ist, kann aufgeladen werden, indem man sie mit einem Glasstab berührt, der seinerseits durch Reiben mit einem Tuch aufgeladen wurde. Wenn eine ähnliche Kugel mit demselben Glasstab aufgeladen wird, stößt sie die erste ab: Die Ladung bewirkt, dass die beiden Kugeln auseinander gedrückt werden. Zwei Kugeln, die mit einem geriebenen bernsteinfarbenen Stab aufgeladen sind, stoßen sich ebenfalls gegenseitig ab. Wird jedoch eine Kugel mit einem Glasstab und die andere mit einem Bernsteinstab aufgeladen, so ziehen sich die beiden Kugeln gegenseitig an. Diese Phänomene wurden im späten 18. Jahrhundert von Charles-Augustin de Coulomb untersucht, der daraus ableitete, dass sich die Ladung in zwei entgegengesetzten Formen manifestiert. Diese Entdeckung führte zu dem bekannten Axiom, dass sich gleich geladene Objekte abstoßen und entgegengesetzt geladene Objekte anziehen. ⓘ

Die Kraft wirkt auf die geladenen Teilchen selbst, so dass die Ladung die Tendenz hat, sich so gleichmäßig wie möglich über eine leitende Oberfläche zu verteilen. Die Größe der elektromagnetischen Kraft, ob anziehend oder abstoßend, wird durch das Coulombsche Gesetz bestimmt, das die Kraft mit dem Produkt der Ladungen in Beziehung setzt und eine umgekehrt quadratische Beziehung zum Abstand zwischen ihnen hat. Die elektromagnetische Kraft ist sehr stark, nach der starken Wechselwirkung die zweitstärkste, aber im Gegensatz zu dieser wirkt sie über alle Entfernungen. Im Vergleich zur viel schwächeren Gravitationskraft ist die elektromagnetische Kraft, die zwei Elektronen auseinander treibt, 10⁴²-mal stärker als die Gravitationskraft, die sie zusammenzieht. ⓘ

Die elektrische Ladung geht von bestimmten Arten subatomarer Teilchen aus, deren bekannteste Träger das Elektron und das Proton sind. Die elektrische Ladung ist die Ursache für die elektromagnetische Kraft, eine der vier Grundkräfte der Natur, und steht mit ihr in Wechselwirkung. Experimente haben gezeigt, dass die Ladung eine konservierte Größe ist, d. h. die Nettoladung in einem elektrisch isolierten System bleibt immer konstant, unabhängig von den Veränderungen, die in diesem System stattfinden. Innerhalb des Systems kann die Ladung zwischen Körpern übertragen werden, entweder durch direkten Kontakt oder durch die Weiterleitung entlang eines leitenden Materials, z. B. eines Drahtes. Der umgangssprachliche Begriff statische Elektrizität bezieht sich auf das Vorhandensein (oder das "Ungleichgewicht") von Ladung auf einem Körper, das in der Regel entsteht, wenn ungleiche Materialien aneinander gerieben werden, wodurch Ladung von einem auf das andere übertragen wird. ⓘ

Die Ladung von Elektronen und Protonen hat ein entgegengesetztes Vorzeichen, daher kann eine Ladungsmenge entweder als negativ oder positiv ausgedrückt werden. Konventionell wird die von Elektronen getragene Ladung als negativ und die von Protonen als positiv angesehen, ein Brauch, der auf die Arbeit von Benjamin Franklin zurückgeht. Die Ladungsmenge wird üblicherweise mit dem Symbol Q bezeichnet und in Coulomb ausgedrückt; jedes Elektron hat die gleiche Ladung von etwa -1,6022×10-19 Coulomb. Das Proton hat eine Ladung, die gleich groß und entgegengesetzt ist, also +1,6022×10-19 Coulomb. Nicht nur Materie, sondern auch Antimaterie besitzt eine Ladung, wobei jedes Antiteilchen die gleiche und entgegengesetzte Ladung wie das entsprechende Teilchen besitzt. ⓘ

Die Ladung kann mit verschiedenen Mitteln gemessen werden. Ein frühes Instrument war das Blattgold-Elektroskop, das zwar immer noch für Demonstrationen im Klassenzimmer verwendet wird, aber durch das elektronische Elektrometer abgelöst worden ist. ⓘ

Elektrischer Strom

Die Bewegung elektrischer Ladung wird als elektrischer Strom bezeichnet, dessen Stärke gewöhnlich in Ampere gemessen wird. Strom kann aus allen sich bewegenden geladenen Teilchen bestehen; am häufigsten sind dies Elektronen, aber jede Ladung in Bewegung stellt einen Strom dar. Elektrischer Strom kann durch bestimmte Gegenstände, elektrische Leiter, fließen, aber nicht durch einen elektrischen Isolator. ⓘ

Nach historischer Konvention ist ein positiver Strom so definiert, dass er die gleiche Flussrichtung hat wie jede positive Ladung, die er enthält, oder dass er vom positivsten Teil eines Stromkreises zum negativsten Teil fließt. Strom, der auf diese Weise definiert ist, wird als konventioneller Strom bezeichnet. Die Bewegung negativ geladener Elektronen in einem Stromkreis, eine der bekanntesten Formen des Stroms, wird daher als positiv in der entgegengesetzten Richtung zu der der Elektronen angesehen. Je nach den Bedingungen kann ein elektrischer Strom jedoch aus einem Fluss geladener Teilchen in beide Richtungen oder sogar in beide Richtungen gleichzeitig bestehen. Zur Vereinfachung dieser Situation wird häufig die Konvention "positiv zu negativ" verwendet. ⓘ

Ein elektrischer Lichtbogen bietet eine energetische Demonstration des elektrischen Stroms ⓘ

Der Prozess, bei dem elektrischer Strom durch ein Material fließt, wird als elektrische Leitung bezeichnet, und seine Beschaffenheit hängt von den geladenen Teilchen und dem Material ab, durch das sie fließen. Beispiele für elektrische Ströme sind die metallische Leitung, bei der Elektronen durch einen Leiter wie Metall fließen, und die Elektrolyse, bei der Ionen (geladene Atome) durch Flüssigkeiten oder durch Plasmen wie elektrische Funken fließen. Während sich die Teilchen selbst recht langsam bewegen können, manchmal mit einer durchschnittlichen Driftgeschwindigkeit von nur Bruchteilen eines Millimeters pro Sekunde, breitet sich das elektrische Feld, das sie antreibt, mit annähernd Lichtgeschwindigkeit aus, so dass elektrische Signale schnell entlang von Drähten übertragen werden können. ⓘ

Strom verursacht mehrere beobachtbare Effekte, die historisch gesehen das Mittel waren, um seine Anwesenheit zu erkennen. Nicholson und Carlisle entdeckten im Jahr 1800, dass Wasser durch den Strom eines galvanischen Stapels zersetzt werden kann, ein Prozess, der heute als Elektrolyse bekannt ist. Ihre Arbeit wurde 1833 von Michael Faraday erheblich erweitert. Strom durch einen Widerstand verursacht eine örtliche Erwärmung, ein Effekt, den James Prescott Joule 1840 mathematisch untersuchte. Eine der wichtigsten Entdeckungen im Zusammenhang mit Strom wurde 1820 zufällig von Hans Christian Ørsted gemacht, als er bei der Vorbereitung einer Vorlesung beobachtete, wie der Strom in einem Draht die Nadel eines Magnetkompasses störte. Er hatte den Elektromagnetismus entdeckt, eine grundlegende Wechselwirkung zwischen Elektrizität und Magnetismus. Die durch Lichtbögen erzeugten elektromagnetischen Emissionen sind hoch genug, um elektromagnetische Interferenzen zu erzeugen, die die Funktionsweise benachbarter Geräte beeinträchtigen können. ⓘ

In der Technik oder im Haushalt wird Strom oft als Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC) bezeichnet. Diese Bezeichnungen beziehen sich darauf, wie sich der Strom im Laufe der Zeit verändert. Gleichstrom, wie er z. B. von einer Batterie erzeugt wird und von den meisten elektronischen Geräten benötigt wird, fließt in eine Richtung vom positiven zum negativen Teil eines Stromkreises. Wenn dieser Strom, wie in den meisten Fällen, von Elektronen getragen wird, bewegen sie sich in die entgegengesetzte Richtung. Wechselstrom ist ein Strom, der wiederholt die Richtung wechselt; fast immer hat er die Form einer Sinuswelle. Wechselstrom pulsiert also innerhalb eines Leiters hin und her, ohne dass sich die Ladung über die Zeit hinweg netto bewegt. Der zeitlich gemittelte Wert eines Wechselstroms ist Null, aber er liefert Energie zuerst in eine Richtung und dann in die andere. Wechselstrom wird durch elektrische Eigenschaften beeinflusst, die bei stationärem Gleichstrom nicht beobachtet werden, wie z. B. Induktivität und Kapazität. Diese Eigenschaften können jedoch wichtig werden, wenn Schaltkreise Transienten ausgesetzt sind, z. B. beim ersten Einschalten. ⓘ

Elektrisches Feld

Das Konzept des elektrischen Feldes wurde von Michael Faraday eingeführt. Ein elektrisches Feld wird von einem geladenen Körper in dem ihn umgebenden Raum erzeugt und führt zu einer Kraft, die auf alle anderen Ladungen innerhalb des Feldes ausgeübt wird. Das elektrische Feld wirkt zwischen zwei Ladungen in ähnlicher Weise wie das Gravitationsfeld zwischen zwei Massen und dehnt sich wie dieses ins Unendliche aus und steht in einem umgekehrten quadratischen Verhältnis zum Abstand. Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied. Die Schwerkraft wirkt immer anziehend und zieht zwei Massen zusammen, während das elektrische Feld entweder anziehend oder abstoßend wirken kann. Da große Körper wie z. B. Planeten im Allgemeinen keine Nettoladung tragen, ist das elektrische Feld in einer Entfernung normalerweise gleich Null. Daher ist die Schwerkraft die vorherrschende Kraft in der Ferne im Universum, obwohl sie viel schwächer ist. ⓘ

Feldlinien, die von einer positiven Ladung über einem ebenen Leiter ausgehen ⓘ

Ein elektrisches Feld variiert im Allgemeinen im Raum, und seine Stärke an einem beliebigen Punkt ist definiert als die Kraft (pro Ladungseinheit), die eine stationäre, vernachlässigbare Ladung spüren würde, wenn sie sich an diesem Punkt befände. Die gedachte Ladung, die als "Testladung" bezeichnet wird, muss verschwindend klein sein, damit ihr eigenes elektrisches Feld das Hauptfeld nicht stört, und sie muss auch stationär sein, um die Wirkung magnetischer Felder zu vermeiden. Da das elektrische Feld durch die Kraft definiert ist und die Kraft ein Vektor ist, der sowohl Größe als auch Richtung hat, ist das elektrische Feld ein Vektorfeld. ⓘ

Die Untersuchung elektrischer Felder, die durch stationäre Ladungen erzeugt werden, wird Elektrostatik genannt. Das Feld kann durch eine Reihe von imaginären Linien veranschaulicht werden, deren Richtung an jedem Punkt mit der des Feldes übereinstimmt. Dieses Konzept wurde von Faraday eingeführt, dessen Begriff "Kraftlinien" immer noch manchmal verwendet wird. Die Feldlinien sind die Bahnen, die eine punktförmige positive Ladung einschlagen würde, wenn sie gezwungen wäre, sich innerhalb des Feldes zu bewegen; sie sind jedoch ein imaginäres Konzept ohne physische Existenz, und das Feld durchdringt den gesamten Zwischenraum zwischen den Linien. Feldlinien, die von stationären Ladungen ausgehen, haben mehrere Schlüsseleigenschaften: erstens, dass sie von positiven Ladungen ausgehen und bei negativen Ladungen enden; zweitens, dass sie in jeden guten Leiter rechtwinklig eintreten müssen, und drittens, dass sie sich weder kreuzen noch in sich selbst schließen dürfen. ⓘ

Ein hohler leitender Körper trägt seine gesamte Ladung auf seiner Außenfläche. Das Feld ist daher an allen Stellen im Inneren des Körpers gleich Null. Dies ist das Funktionsprinzip des Faradayschen Käfigs, einer leitenden Metallhülle, die ihr Inneres von äußeren elektrischen Einflüssen isoliert. ⓘ

Die Grundsätze der Elektrostatik sind wichtig für die Konstruktion von Hochspannungsgeräten. Es gibt eine endliche Grenze für die elektrische Feldstärke, der jedes Medium standhalten kann. Wird diese Grenze überschritten, kommt es zu einem elektrischen Durchschlag und ein Lichtbogen verursacht einen Überschlag zwischen den geladenen Teilen. Luft beispielsweise neigt bei elektrischen Feldstärken von mehr als 30 kV pro Zentimeter dazu, bei kleinen Spalten einen Lichtbogen zu erzeugen. Bei größeren Lücken ist die Durchschlagskraft schwächer, vielleicht 1 kV pro Zentimeter. Das sichtbarste natürliche Phänomen ist der Blitz, der entsteht, wenn die Ladung in den Wolken durch aufsteigende Luftsäulen getrennt wird und das elektrische Feld in der Luft auf einen Wert anhebt, dem sie nicht standhalten kann. Die Spannung einer großen Blitzwolke kann bis zu 100 Megawatt betragen und Entladungsenergien von bis zu 250 kWh aufweisen. ⓘ

Die Feldstärke wird durch nahegelegene leitende Objekte stark beeinflusst und ist besonders intensiv, wenn sie gezwungen ist, sich um scharfkantige Objekte zu krümmen. Dieses Prinzip macht man sich beim Blitzableiter zunutze, dessen scharfe Spitze dazu beiträgt, dass der Blitzschlag dort entsteht und nicht in dem Gebäude, das er schützen soll. ⓘ

Elektrisches Potential

Ein Paar AA-Zellen. Das +-Zeichen zeigt die Polarität des Potenzialunterschieds zwischen den Batteriepolen an. ⓘ

Das Konzept des elektrischen Potenzials ist eng mit dem des elektrischen Feldes verbunden. Eine kleine Ladung, die sich in einem elektrischen Feld befindet, erfährt eine Kraft, und um diese Ladung gegen die Kraft an diesen Punkt zu bringen, ist Arbeit erforderlich. Das elektrische Potenzial an einem beliebigen Punkt ist definiert als die Energie, die erforderlich ist, um eine Testladung aus einer unendlichen Entfernung langsam zu diesem Punkt zu bringen. Es wird gewöhnlich in Volt gemessen, und ein Volt ist das Potenzial, für das ein Joule Arbeit aufgewendet werden muss, um eine Ladung von einem Coulomb aus dem Unendlichen zu holen. Ein nützlicheres Konzept ist das der elektrischen Potenzialdifferenz, das die Energie bezeichnet, die erforderlich ist, um eine Einheitsladung zwischen zwei bestimmten Punkten zu bewegen. Ein elektrisches Feld hat die besondere Eigenschaft, dass es konservativ ist, was bedeutet, dass der von der Testladung zurückgelegte Weg irrelevant ist: Alle Wege zwischen zwei bestimmten Punkten verbrauchen dieselbe Energie, und daher kann ein eindeutiger Wert für die Potenzialdifferenz angegeben werden. Das Volt hat sich als Maßeinheit für die Messung und Beschreibung der elektrischen Potenzialdifferenz so stark durchgesetzt, dass der Begriff Spannung im Alltag häufiger verwendet wird. ⓘ

Für praktische Zwecke ist es sinnvoll, einen gemeinsamen Bezugspunkt zu definieren, mit dem Potenziale ausgedrückt und verglichen werden können. Dieser könnte zwar im Unendlichen liegen, aber ein weitaus nützlicherer Bezugspunkt ist die Erde selbst, von der man annimmt, dass sie überall das gleiche Potenzial aufweist. Dieser Bezugspunkt trägt natürlich den Namen Erde oder Masse. Man geht davon aus, dass die Erde eine unendliche Quelle gleicher Mengen positiver und negativer Ladung ist und daher elektrisch ungeladen und nicht aufladbar ist. ⓘ

Das elektrische Potenzial ist eine skalare Größe, d. h., es hat nur einen Betrag und keine Richtung. Es kann als Analogie zur Höhe betrachtet werden: So wie ein freigesetztes Objekt durch einen Höhenunterschied fällt, der durch ein Gravitationsfeld verursacht wird, wird eine Ladung durch die Spannung "fallen", die durch ein elektrisches Feld verursacht wird. So wie Reliefkarten Höhenlinien zeigen, die Punkte gleicher Höhe markieren, kann um ein elektrostatisch geladenes Objekt eine Reihe von Linien gezeichnet werden, die Punkte gleichen Potenzials markieren (so genannte Äquipotenziale). Die Äquipotentiale kreuzen alle Kraftlinien im rechten Winkel. Sie müssen auch parallel zur Oberfläche eines Leiters verlaufen, da sonst eine Kraft entsteht, die die Ladungsträger in Richtung des gleichen Potentials der Oberfläche bewegt. ⓘ

Das elektrische Feld wurde formell als die pro Ladungseinheit ausgeübte Kraft definiert, aber das Konzept des Potenzials ermöglicht eine nützlichere und gleichwertige Definition: Das elektrische Feld ist der lokale Gradient des elektrischen Potenzials. Normalerweise wird es in Volt pro Meter ausgedrückt. Die Vektorrichtung des Feldes ist die Linie mit der größten Steigung des Potenzials, und dort, wo die Äquipotenziale am nächsten beieinander liegen. ⓘ

Elektromagnete

Magnetische Feldkreise um einen Strom ⓘ

Die Entdeckung von Ørsted im Jahr 1821, dass um alle Seiten eines stromdurchflossenen Drahtes ein Magnetfeld besteht, deutete auf eine direkte Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus hin. Außerdem schien sich die Wechselwirkung von der Gravitation und der Elektrostatik, den beiden damals bekannten Naturkräften, zu unterscheiden. Die Kraft, die auf die Kompassnadel wirkte, richtete sich nicht auf den stromdurchflossenen Draht aus, sondern wirkte im rechten Winkel zu ihm. Ørsted stellte fest, dass "der elektrische Konflikt auf eine drehende Weise wirkt". Die Kraft hing auch von der Richtung des Stroms ab, denn wenn sich der Fluss umkehrte, tat dies auch die Kraft. ⓘ

Ørsted verstand seine Entdeckung nicht ganz, aber er stellte fest, dass die Wirkung reziprok ist: Ein Strom übt eine Kraft auf einen Magneten aus, und ein Magnetfeld übt eine Kraft auf einen Strom aus. Das Phänomen wurde von Ampère weiter untersucht, der entdeckte, dass zwei parallele stromführende Drähte eine Kraft aufeinander ausüben: Zwei Drähte, die Ströme in die gleiche Richtung leiten, werden voneinander angezogen, während Drähte, die Ströme in entgegengesetzter Richtung führen, auseinandergedrängt werden. Diese Wechselwirkung wird durch das Magnetfeld vermittelt, das jeder Strom erzeugt, und bildet die Grundlage für die internationale Definition des Ampere. ⓘ

Der Elektromotor macht sich einen wichtigen Effekt des Elektromagnetismus zunutze: Ein Strom, der durch ein Magnetfeld fließt, erfährt eine Kraft, die im rechten Winkel zum Feld und zum Strom steht. ⓘ

Diese Beziehung zwischen Magnetfeldern und Strömen ist äußerst wichtig, denn sie führte 1821 zur Erfindung des Elektromotors durch Michael Faraday. Faradays homopolarer Motor bestand aus einem Dauermagneten, der sich in einem Quecksilberbecken befand. Über einen Draht, der an einem Zapfen über dem Magneten aufgehängt war und in das Quecksilber eintauchte, wurde ein Strom geleitet. Der Magnet übte eine tangentiale Kraft auf den Draht aus, die ihn so lange um den Magneten kreisen ließ, wie die Stromstärke aufrechterhalten wurde. ⓘ

Die Experimente von Faraday im Jahr 1831 zeigten, dass ein Draht, der sich senkrecht zu einem Magnetfeld bewegte, eine Potenzialdifferenz zwischen seinen Enden entwickelte. Die weitere Analyse dieses Prozesses, der als elektromagnetische Induktion bezeichnet wird, ermöglichte es ihm, den Grundsatz aufzustellen, der heute als Faradaysches Induktionsgesetz bekannt ist, dass die in einem geschlossenen Kreislauf induzierte Potenzialdifferenz proportional zur Änderungsrate des magnetischen Flusses durch die Schleife ist. Die Nutzung dieser Entdeckung ermöglichte ihm 1831 die Erfindung des ersten elektrischen Generators, in dem er die mechanische Energie einer rotierenden Kupferscheibe in elektrische Energie umwandelte. Faradays Scheibe war ineffizient und als praktischer Generator unbrauchbar, aber sie zeigte die Möglichkeit der Erzeugung elektrischer Energie mit Hilfe von Magnetismus, eine Möglichkeit, die von den Nachfolgern seiner Arbeit aufgegriffen wurde. ⓘ

Elektrochemie

Der italienische Physiker Alessandro Volta zeigt Anfang des 19. Jahrhunderts dem französischen Kaiser Napoleon Bonaparte seine "Batterie". ⓘ

Die Fähigkeit chemischer Reaktionen, Elektrizität zu erzeugen, und umgekehrt die Fähigkeit der Elektrizität, chemische Reaktionen anzutreiben, hat eine breite Palette von Anwendungen. ⓘ

Die Elektrochemie war schon immer ein wichtiger Bestandteil der Elektrizität. Von der ursprünglichen Erfindung des Voltaischen Pfahls haben sich elektrochemische Zellen zu den vielen verschiedenen Arten von Batterien, Galvanik- und Elektrolysezellen entwickelt. Aluminium wird auf diese Weise in großen Mengen hergestellt, und viele tragbare Geräte werden durch wiederaufladbare Zellen mit Strom versorgt. ⓘ

Elektrische Schaltkreise

Ein einfacher Stromkreis. Die Spannungsquelle V auf der linken Seite treibt einen Strom I durch den Stromkreis und liefert elektrische Energie an den Widerstand R. Vom Widerstand kehrt der Strom zur Quelle zurück und schließt den Stromkreis. ⓘ

Ein Stromkreis ist eine Verbindung von elektrischen Bauteilen, so dass elektrische Ladung entlang eines geschlossenen Pfades (eines Stromkreises) fließt, normalerweise um eine nützliche Aufgabe zu erfüllen. ⓘ

Die Komponenten in einem elektrischen Stromkreis können viele Formen annehmen, die Elemente wie Widerstände, Kondensatoren, Schalter, Transformatoren und Elektronik umfassen können. Elektronische Schaltungen enthalten aktive Komponenten, in der Regel Halbleiter, und weisen typischerweise ein nichtlineares Verhalten auf, das eine komplexe Analyse erfordert. Die einfachsten elektrischen Komponenten sind die so genannten passiven und linearen: Sie können zwar vorübergehend Energie speichern, enthalten aber keine Energiequellen und reagieren linear auf Reize. ⓘ

Der Widerstand ist vielleicht das einfachste der passiven Schaltkreiselemente: Wie sein Name schon sagt, widersteht er dem Strom, der durch ihn fließt, und gibt seine Energie als Wärme ab. Der Widerstand ist eine Folge der Bewegung von Ladung durch einen Leiter: In Metallen beispielsweise ist der Widerstand in erster Linie auf die Kollisionen zwischen Elektronen und Ionen zurückzuführen. Das Ohmsche Gesetz ist ein grundlegendes Gesetz der Schaltkreistheorie, das besagt, dass der Strom, der durch einen Widerstand fließt, direkt proportional zur Potenzialdifferenz an diesem Widerstand ist. Der Widerstand der meisten Materialien ist über eine Reihe von Temperaturen und Strömen relativ konstant; Materialien unter diesen Bedingungen werden als "ohmsch" bezeichnet. Das Ohm, die Einheit des Widerstands, wurde zu Ehren von Georg Ohm benannt und wird durch den griechischen Buchstaben Ω symbolisiert. 1 Ω ist der Widerstand, der als Reaktion auf einen Strom von einem Ampere eine Potenzialdifferenz von einem Volt erzeugt. ⓘ

Der Kondensator ist eine Weiterentwicklung der Leydener Flasche und ist ein Gerät, das Ladung speichern kann und dadurch elektrische Energie in dem entstehenden Feld speichert. Er besteht aus zwei leitenden Platten, die durch eine dünne isolierende dielektrische Schicht getrennt sind; in der Praxis werden dünne Metallfolien zusammengerollt, wodurch sich die Oberfläche pro Volumeneinheit und damit die Kapazität erhöht. Die Einheit der Kapazität ist das Farad, benannt nach Michael Faraday und mit dem Symbol F versehen: Ein Farad ist die Kapazität, die eine Potenzialdifferenz von einem Volt entwickelt, wenn sie eine Ladung von einem Coulomb speichert. Ein Kondensator, der an eine Spannungsversorgung angeschlossen ist, erzeugt zunächst einen Strom, wenn er Ladung aufnimmt; dieser Strom nimmt jedoch mit der Zeit ab, wenn sich der Kondensator füllt, und geht schließlich auf Null zurück. Ein Kondensator lässt also keinen konstanten Strom zu, sondern sperrt ihn. ⓘ

Der Induktor ist ein Leiter, in der Regel eine Drahtspule, der als Reaktion auf den durch ihn fließenden Strom Energie in einem Magnetfeld speichert. Wenn sich der Strom ändert, ändert sich auch das Magnetfeld, wodurch eine Spannung zwischen den Enden des Leiters induziert wird. Die induzierte Spannung ist proportional zur zeitlichen Änderungsrate des Stroms. Die Konstante der Proportionalität wird als Induktivität bezeichnet. Die Einheit der Induktivität ist das Henry, benannt nach Joseph Henry, einem Zeitgenossen von Faraday. Ein Henry ist die Induktivität, die eine Potentialdifferenz von einem Volt hervorruft, wenn sich der Strom durch sie mit einer Rate von einem Ampere pro Sekunde ändert. Die Induktivität verhält sich in gewisser Hinsicht umgekehrt wie der Kondensator: Sie lässt einen unveränderlichen Strom ungehindert passieren, widersetzt sich aber einem sich schnell ändernden Strom. ⓘ

Elektrische Leistung

Die elektrische Leistung ist die Geschwindigkeit, mit der elektrische Energie durch einen Stromkreis übertragen wird. Die SI-Einheit der Leistung ist das Watt, ein Joule pro Sekunde. ⓘ

Die elektrische Leistung ist wie die mechanische Leistung das Maß für die Verrichtung von Arbeit, gemessen in Watt und dargestellt durch den Buchstaben P. Der Begriff Wattleistung wird umgangssprachlich für "elektrische Leistung in Watt" verwendet. Die elektrische Leistung in Watt, die durch einen elektrischen Strom I erzeugt wird, der aus einer Ladung von Q Coulomb besteht und alle t Sekunden eine elektrische Potentialdifferenz (Spannung) von V durchläuft, beträgt

$P={\text{work done per unit time}}={\frac {QV}{t}}=IV\,$

wobei

Q ist die elektrische Ladung in Coulomb

t ist die Zeit in Sekunden

I ist der elektrische Strom in Ampere

V ist das elektrische Potenzial oder die Spannung in Volt ⓘ

Die Stromerzeugung erfolgt häufig durch die Umwandlung von mechanischer Energie in Elektrizität. Geräte wie Dampfturbinen oder Gasturbinen sind an der Erzeugung der mechanischen Energie beteiligt, die an elektrische Generatoren weitergeleitet wird, die den Strom erzeugen. Elektrizität kann auch durch chemische Quellen wie elektrische Batterien oder auf andere Weise aus einer Vielzahl von Energiequellen gewonnen werden. Elektrischer Strom wird im Allgemeinen von der Elektrizitätswirtschaft an Unternehmen und Haushalte geliefert. Strom wird in der Regel in Kilowattstunden (3,6 MJ) verkauft, die sich aus der Leistung in Kilowatt multipliziert mit der Betriebszeit in Stunden ergeben. Die Stromversorgungsunternehmen messen die Leistung mit Hilfe von Stromzählern, die die an einen Kunden gelieferte elektrische Energie laufend aufzeichnen. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen ist Strom eine Energieform mit geringer Entropie und kann mit hoher Effizienz in Bewegung oder viele andere Energieformen umgewandelt werden. ⓘ

Elektronik

Oberflächenmontierte elektronische Komponenten ⓘ

Die Elektronik befasst sich mit elektrischen Schaltkreisen, die aktive elektrische Komponenten wie Vakuumröhren, Transistoren, Dioden, Optoelektronik, Sensoren und integrierte Schaltkreise sowie die dazugehörigen passiven Verbindungstechnologien umfassen. Das nichtlineare Verhalten aktiver Bauelemente und ihre Fähigkeit, den Elektronenfluss zu steuern, ermöglichen die Verstärkung schwacher Signale, und die Elektronik findet breite Anwendung in der Informationsverarbeitung, der Telekommunikation und der Signalverarbeitung. Die Fähigkeit elektronischer Geräte, als Schalter zu fungieren, macht die digitale Informationsverarbeitung möglich. Verbindungstechnologien wie Leiterplatten, elektronische Verpackungstechnik und andere vielfältige Formen der Kommunikationsinfrastruktur vervollständigen die Funktionalität von Schaltkreisen und verwandeln die gemischten Komponenten in ein regulär funktionierendes System. ⓘ

Die meisten elektronischen Geräte verwenden heute Halbleiterbauelemente zur Steuerung von Elektronen. Das Studium von Halbleiterbauelementen und der zugehörigen Technologie wird als Teilgebiet der Festkörperphysik betrachtet, während der Entwurf und die Konstruktion elektronischer Schaltungen zur Lösung praktischer Probleme unter den Bereich der Elektrotechnik fällt. ⓘ

Elektromagnetische Welle

Die Arbeiten von Faraday und Ampère haben gezeigt, dass ein zeitlich veränderliches Magnetfeld als Quelle eines elektrischen Feldes und ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld als Quelle eines Magnetfeldes wirkt. Wenn sich also eines der beiden Felder zeitlich verändert, wird zwangsläufig ein Feld des anderen induziert. Ein solches Phänomen hat die Eigenschaften einer Welle und wird natürlich als elektromagnetische Welle bezeichnet. Elektromagnetische Wellen wurden von James Clerk Maxwell im Jahr 1864 theoretisch untersucht. Maxwell entwickelte eine Reihe von Gleichungen, die den Zusammenhang zwischen elektrischem Feld, Magnetfeld, elektrischer Ladung und elektrischem Strom eindeutig beschreiben konnten. Darüber hinaus konnte er nachweisen, dass sich eine solche Welle zwangsläufig mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet und somit das Licht selbst eine Form der elektromagnetischen Strahlung ist. Die Maxwellschen Gesetze, die Licht, Felder und Ladung vereinen, sind einer der großen Meilensteine der theoretischen Physik. ⓘ

So ermöglichte die Arbeit vieler Forscher den Einsatz von Elektronik zur Umwandlung von Signalen in hochfrequente oszillierende Ströme, und über entsprechend geformte Leiter erlaubt die Elektrizität die Übertragung und den Empfang dieser Signale über Radiowellen über sehr große Entfernungen. ⓘ

Erzeugung und Verwendung

Erzeugung und Übertragung

Wechselstromgenerator aus dem frühen 20. Jahrhundert in Budapest, Ungarn, in der Stromerzeugungshalle eines Wasserkraftwerks (Foto von Prokudin-Gorsky, 1905-1915). ⓘ

Im 6. Jahrhundert v. Chr. experimentierte der griechische Philosoph Thales von Milet mit Bernsteinstäben, und diese Versuche waren die ersten Studien zur Erzeugung elektrischer Energie. Mit dieser Methode, die heute als triboelektrischer Effekt bekannt ist, können zwar leichte Gegenstände angehoben und Funken erzeugt werden, sie ist jedoch äußerst ineffizient. Erst mit der Erfindung des voltaischen Pfahls im achtzehnten Jahrhundert wurde eine brauchbare Stromquelle verfügbar. Die Voltasche Säule und ihr moderner Abkömmling, die elektrische Batterie, speichern Energie chemisch und stellen sie bei Bedarf in Form von elektrischer Energie zur Verfügung. Die Batterie ist eine vielseitige und weit verbreitete Energiequelle, die für viele Anwendungen ideal geeignet ist, aber ihr Energiespeicher ist endlich, und wenn er entladen ist, muss er entsorgt oder wieder aufgeladen werden. Für einen großen Strombedarf muss elektrische Energie erzeugt und kontinuierlich über leitende Leitungen übertragen werden. ⓘ

Elektrische Energie wird in der Regel durch elektromechanische Generatoren erzeugt, die durch Dampf aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe oder durch die bei Kernreaktionen freigesetzte Wärme angetrieben werden, oder durch andere Quellen wie kinetische Energie, die aus Wind oder fließendem Wasser gewonnen wird. Die moderne Dampfturbine, die 1884 von Sir Charles Parsons erfunden wurde, erzeugt heute etwa 80 Prozent des elektrischen Stroms in der Welt und nutzt dabei eine Vielzahl von Wärmequellen. Solche Generatoren haben keine Ähnlichkeit mit Faradays homopolarem Scheibengenerator von 1831, aber sie beruhen immer noch auf seinem elektromagnetischen Prinzip, dass ein Leiter, der ein wechselndes Magnetfeld verbindet, an seinen Enden eine Potenzialdifferenz induziert. Die Erfindung des Transformators im späten 19. Jahrhundert ermöglichte eine effizientere Übertragung von elektrischer Energie mit höherer Spannung, aber geringerem Strom. Effiziente Stromübertragung bedeutete wiederum, dass Strom in zentralen Kraftwerken erzeugt werden konnte, wo er von Größenvorteilen profitierte, und dann über relativ große Entfernungen dorthin transportiert werden konnte, wo er benötigt wurde. ⓘ

Die Windenergie gewinnt in vielen Ländern zunehmend an Bedeutung ⓘ

Da elektrische Energie nicht ohne Weiteres in Mengen gespeichert werden kann, die für die Deckung des nationalen Bedarfs ausreichen, muss zu jeder Zeit genau so viel produziert werden, wie benötigt wird. Dies erfordert von den Elektrizitätsversorgungsunternehmen eine sorgfältige Vorhersage ihrer elektrischen Lasten und eine ständige Koordinierung mit ihren Kraftwerken. Ein gewisser Anteil der Erzeugung muss immer in Reserve gehalten werden, um das Stromnetz gegen unvermeidliche Störungen und Verluste abzufedern. ⓘ

Die Nachfrage nach Elektrizität steigt in dem Maße, wie sich ein Land modernisiert und seine Wirtschaft entwickelt, mit großer Geschwindigkeit. Die Vereinigten Staaten verzeichneten in den ersten drei Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts einen jährlichen Anstieg der Nachfrage um 12 %, eine Wachstumsrate, die heute auch in Schwellenländern wie Indien oder China zu beobachten ist. Historisch gesehen hat die Wachstumsrate der Elektrizitätsnachfrage diejenige anderer Energieformen übertroffen. ⓘ

Umweltbedenken in Bezug auf die Stromerzeugung haben dazu geführt, dass die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen, insbesondere aus Wind- und Sonnenenergie, zunehmend in den Mittelpunkt rückt. Es ist zu erwarten, dass die Debatte über die Umweltauswirkungen der verschiedenen Arten der Stromerzeugung weitergehen wird, doch ist die endgültige Form des Stroms relativ sauber. ⓘ

Anwendungen

Die Glühbirne, eine frühe Anwendung der Elektrizität, funktioniert nach dem Prinzip der Joule'schen Erwärmung: Der Durchgang von Strom durch einen Widerstand erzeugt Wärme ⓘ

Elektrizität ist eine sehr bequeme Art der Energieübertragung, die für eine große und wachsende Zahl von Anwendungen genutzt wird. Die Erfindung einer praktischen Glühbirne in den 1870er Jahren führte dazu, dass die Beleuchtung zu einer der ersten öffentlich zugänglichen Anwendungen elektrischer Energie wurde. Obwohl die Elektrifizierung auch ihre eigenen Gefahren mit sich brachte, wurde die Brandgefahr in Wohnungen und Fabriken durch den Ersatz der offenen Flammen der Gasbeleuchtung erheblich reduziert. In vielen Städten wurden öffentliche Versorgungsunternehmen gegründet, um den aufkeimenden Markt für elektrische Beleuchtung zu bedienen. Im späten 20. Jahrhundert und in der heutigen Zeit geht der Trend in Richtung Deregulierung im Stromsektor. ⓘ

Der Joule-Widerstandseffekt, der in Glühlampen zum Einsatz kommt, wird auch in der elektrischen Heizung verstärkt genutzt. Dies ist zwar vielseitig und steuerbar, kann aber als Verschwendung angesehen werden, da die meisten Stromerzeuger bereits Wärme in einem Kraftwerk erzeugt haben. Eine Reihe von Ländern, wie z. B. Dänemark, haben Rechtsvorschriften erlassen, die die Verwendung von elektrischen Widerstandsheizungen in neuen Gebäuden einschränken oder verbieten. Strom ist jedoch nach wie vor eine äußerst praktische Energiequelle für Heizung und Kühlung, wobei Klimaanlagen/Wärmepumpen einen wachsenden Sektor für den Strombedarf zum Heizen und Kühlen darstellen, dessen Auswirkungen die Stromversorger zunehmend berücksichtigen müssen. ⓘ

Elektrizität wird in der Telekommunikation eingesetzt, und der elektrische Telegraf, der 1837 von Cooke und Wheatstone kommerziell demonstriert wurde, war eine der frühesten Anwendungen. Mit dem Bau von zunächst transkontinentalen und dann transatlantischen Telegrafensystemen in den 1860er Jahren ermöglichte die Elektrizität die Kommunikation innerhalb von Minuten rund um den Globus. Glasfaser- und Satellitenkommunikation haben einen Teil des Marktes für Kommunikationssysteme erobert, aber es ist davon auszugehen, dass die Elektrizität ein wesentlicher Bestandteil des Prozesses bleiben wird. ⓘ

Die Auswirkungen des Elektromagnetismus kommen am deutlichsten im Elektromotor zum Tragen, der ein sauberes und effizientes Mittel zur Antriebskraft darstellt. Ein stationärer Motor, wie z. B. eine Winde, lässt sich leicht mit Strom versorgen, aber ein Motor, der sich mit seiner Anwendung bewegt, wie z. B. ein Elektrofahrzeug, muss entweder eine Stromquelle, wie z. B. eine Batterie, mit sich führen oder Strom von einem Schleifkontakt, wie z. B. einem Stromabnehmer, aufnehmen. Elektrisch betriebene Fahrzeuge werden im öffentlichen Verkehr eingesetzt, wie z. B. Elektrobusse und -züge, und immer mehr batteriebetriebene Elektroautos in Privatbesitz. ⓘ

Elektronische Geräte nutzen den Transistor, vielleicht eine der wichtigsten Erfindungen des zwanzigsten Jahrhunderts und ein grundlegender Baustein aller modernen Schaltkreise. Ein moderner integrierter Schaltkreis kann viele Milliarden von miniaturisierten Transistoren auf einer Fläche von nur wenigen Zentimetern enthalten. ⓘ

Elektrizität und die natürliche Welt

Physiologische Auswirkungen

Eine an den menschlichen Körper angelegte Spannung verursacht einen elektrischen Strom durch das Gewebe, und obwohl die Beziehung nicht linear ist, gilt: je höher die Spannung, desto größer der Strom. Die Wahrnehmungsschwelle variiert mit der Versorgungsfrequenz und dem Strompfad, liegt aber bei etwa 0,1 mA bis 1 mA für Netzstrom, obwohl unter bestimmten Bedingungen auch ein Strom von nur einem Mikroampere als Elektrovibrationseffekt wahrgenommen werden kann. Ist der Strom ausreichend hoch, führt er zu Muskelkontraktionen, Herzflimmern und Gewebeverbrennungen. Da es keine sichtbaren Anzeichen dafür gibt, dass ein Leiter unter Strom steht, stellt Elektrizität eine besondere Gefahr dar. Der durch einen Stromschlag verursachte Schmerz kann sehr stark sein, weshalb Elektrizität zuweilen als Foltermethode eingesetzt wird. Der durch einen Stromschlag verursachte Tod wird als Stromschlag bezeichnet. Die Hinrichtung durch Stromschlag ist in einigen Ländern immer noch das Mittel der Justiz, obwohl sie in letzter Zeit seltener geworden ist. ⓘ

Elektrische Phänomene in der Natur

Der elektrische Aal, Electrophorus electricus ⓘ

Elektrizität ist keine menschliche Erfindung und kann in der Natur in verschiedenen Formen beobachtet werden, wobei der Blitz eine herausragende Erscheinung ist. Viele auf makroskopischer Ebene bekannte Wechselwirkungen, wie Berührung, Reibung oder chemische Bindungen, sind auf Wechselwirkungen zwischen elektrischen Feldern auf atomarer Ebene zurückzuführen. Man nimmt an, dass das Magnetfeld der Erde durch einen natürlichen Dynamo aus zirkulierenden Strömen im Erdkern entsteht. Bestimmte Kristalle, wie z. B. Quarz oder auch Zucker, erzeugen eine Potenzialdifferenz auf ihren Flächen, wenn sie einem äußeren Druck ausgesetzt sind. Dieses Phänomen wird als Piezoelektrizität bezeichnet, abgeleitet vom griechischen Wort piezein (πιέζειν), was so viel wie drücken bedeutet, und wurde 1880 von Pierre und Jacques Curie entdeckt. Der Effekt ist reziprok, und wenn ein piezoelektrisches Material einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, kommt es zu einer kleinen Veränderung der physikalischen Dimensionen. ⓘ

§Die Bioelektrogenese in mikrobiellem Leben ist ein bekanntes Phänomen in der Boden- und Sedimentökologie, das sich aus der anaeroben Atmung ergibt. Die mikrobielle Brennstoffzelle ahmt dieses allgegenwärtige natürliche Phänomen nach. ⓘ

Einige Organismen, wie z. B. Haie, sind in der Lage, Veränderungen in elektrischen Feldern zu erkennen und darauf zu reagieren, eine Fähigkeit, die als Elektorezeption bezeichnet wird, während andere, die als elektrogene Organismen bezeichnet werden, in der Lage sind, selbst Spannungen zu erzeugen, um als Raub- oder Verteidigungswaffe zu dienen; dies sind elektrische Fische in verschiedenen Ordnungen. Die Ordnung der Gymnotiformes, deren bekanntestes Beispiel der Zitteraal ist, erkennt oder betäubt ihre Beute durch hohe Spannungen, die von modifizierten Muskelzellen, den Elektrozyten, erzeugt werden. Alle Tiere übertragen Informationen entlang ihrer Zellmembranen mit Spannungsimpulsen, den so genannten Aktionspotenzialen, zu deren Funktionen die Kommunikation des Nervensystems zwischen Neuronen und Muskeln gehört. Ein elektrischer Schlag stimuliert dieses System und bewirkt, dass sich die Muskeln zusammenziehen. Aktionspotenziale sind auch für die Koordinierung von Aktivitäten in bestimmten Pflanzen verantwortlich. ⓘ

Kulturelle Wahrnehmung

Im Jahr 1850 fragte William Gladstone den Wissenschaftler Michael Faraday, warum Elektrizität wertvoll sei. Faraday antwortete: "Eines Tages, Sir, werden Sie sie vielleicht besteuern. ⓘ

Im 19. und frühen 20. Jahrhundert gehörte die Elektrizität nicht zum Alltag vieler Menschen, auch nicht in der industrialisierten westlichen Welt. Dementsprechend wurde sie in der Populärkultur dieser Zeit oft als geheimnisvolle, quasi magische Kraft dargestellt, die die Lebenden töten, die Toten wiederbeleben oder auf andere Weise die Naturgesetze beugen kann. Diese Einstellung begann mit den Experimenten von Luigi Galvani aus dem Jahr 1771, bei denen gezeigt wurde, dass die Beine toter Frösche bei Anwendung tierischer Elektrizität zuckten. Über die "Wiederbelebung" oder Wiederbelebung scheinbar toter oder ertrunkener Personen wurde in der medizinischen Literatur kurz nach Galvanis Arbeit berichtet. Diese Ergebnisse waren Mary Shelley bekannt, als sie Frankenstein (1819) verfasste, obwohl sie die Methode der Wiederbelebung des Monsters nicht nennt. Die Wiederbelebung von Monstern durch Elektrizität wurde später ein beliebtes Thema in Horrorfilmen. ⓘ

Mit der zunehmenden Vertrautheit der Öffentlichkeit mit der Elektrizität als Lebensnerv der Zweiten Industriellen Revolution wurden ihre Anwender häufiger in ein positives Licht gerückt, wie etwa die Arbeiter, die "den Tod am Ende ihrer Handschuhe spüren, während sie die lebenden Drähte stückeln und wieder zusammensetzen" in Rudyard Kiplings Gedicht Söhne der Martha von 1907. Elektrisch betriebene Fahrzeuge jeder Art spielten in Abenteuergeschichten wie denen von Jules Verne und den Tom-Swift-Büchern eine große Rolle. Den Meistern der Elektrizität, ob fiktiv oder real - darunter Wissenschaftler wie Thomas Edison, Charles Steinmetz oder Nikola Tesla - wurden im Volksmund zauberhafte Kräfte zugeschrieben. ⓘ

Nachdem die Elektrizität in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts von einer Neuheit zu einer Notwendigkeit des täglichen Lebens geworden war, wurde ihr in der Populärkultur nur dann besondere Aufmerksamkeit zuteil, wenn sie ausfiel, was in der Regel eine Katastrophe bedeutet. Die Menschen, die dafür sorgen, dass er fließt, wie der namenlose Held in Jimmy Webbs Lied "Wichita Lineman" (1968), werden immer noch oft als heldenhafte, zauberhafte Figuren dargestellt. ⓘ

Elektrizität im Alltag

Reibungselektrizität ⓘ

Im heutigen Alltag ist Elektrizität im Sinne von elektrischer Energie unentbehrlich, was dem Menschen meistens erst durch Ausfälle von Versorgungsnetzen wieder bewusst wird. Allerdings haben 1,4 Mrd. Menschen weltweit keinen Zugang zu elektrischer Energie. Die Erzeugung dieses Energieträgers erfolgt fast immer in Kraftwerken, die Verteilung erfolgt flächendeckend durch Unternehmen der Stromnetze (siehe Elektrizität/Tabellen und Grafiken). Seit über einem Jahrhundert bestimmen Anwendungen von Elektrizität wie elektrisches Licht, Wärme und Kraft mehr und mehr das menschliche Leben. Eine wesentliche Bedeutung nimmt die Elektrizität im Bereich der Kommunikationstechnologie und Informationstechnologie ein. ⓘ

Elektrizität in natürlicher Form tritt neben Blitzen auch weniger spektakulär in Form einer Informationsübertragung in Nervensystemen von Lebewesen auf. Dabei treten nur sehr kleine Spannungen auf. Elektrizität hat je nach Stärke auch unterschiedliche Auswirkungen auf den menschlichen Körper. Für Stromunfälle ist die Stärke und die Einwirkdauer des elektrischen Stromes auf den menschlichen Körper wesentlich. Elektrische Ströme ab zirka 30 mA können gefährlich sein und Atemlähmungen und Herzstillstand verursachen. Elektrischer Strom wird auch eingesetzt, um Menschen gezielt zu töten, wie dieses etwa mit dem elektrischen Stuhl geschieht. ⓘ

Bedeutung

Ingenieurwissenschaften

Die Elektrotechnik bezeichnet denjenigen Bereich der Ingenieurwissenschaft und Technik, der sich mit allen Aspekten der Elektrizität befasst. Das Spektrum reicht von der elektrischen Energietechnik wie der Stromerzeugung, über die Regelungs-, Steuerungs- und Messtechnik, über die Elektronik, Mikro- und Nanoelektronik, bis zur Nachrichtentechnik und der Automatisierungstechnik als einem Studiengang der Elektrotechnik. Das theoretische Fundament bildet die theoretische Elektrotechnik. ⓘ

Die große Bedeutung der elektrischen Energie liegt darin, dass sie in Hochspannungsleitungen transportiert werden kann und sich einfach in andere Energiearten wie mechanische Arbeit, Wärme, Licht oder Schall umwandeln lässt. Elektrische Energie kann allerdings nur schlecht gespeichert werden und muss dazu in andere Energieträger wie in Form chemischer Energie bei Akkumulatoren oder in potentielle Energie wie bei Pumpspeicherkraftwerken umgewandelt werden. ⓘ

Wirtschaftswissenschaften

Die Elektrizitätswirtschaft bezeichnet denjenigen Bereich der Energiewirtschaft, der sich mit allen Aspekten der Elektrizität befasst. ⓘ