Ladungen, Felder, Spannungen: Immer unter Strom

Seit wann kennt man Elektrizität und Magnetismus?

Die Menschheit nutzt seit Jahrtausenden die Auswirkungen von Elektrizität und Magnetismus. Mithilfe von Kompassen fanden chinesische Karawanen ihren Weg durch die Steppen Asiens und europäische Seefahrer durch die Wasserwüsten der Ozeane. Antike griechische Philosophen beschrieben die Wirkung von Bernstein, der, wenn er an Fell gerieben wird, elektrische Ladungen freisetzt, die leichte Gegenstände anziehen und Blitze erzeugen. Doch trotz der Erkenntnisse antiker Forscher galt v. a. der Magnetismus lange Zeit als »Zauberei«. Noch Franz Anton Messmer meinte im 18. Jahrhundert, mithilfe von hypnotischen Behandlungen den »animalischen Magnetismus« seiner Patienten beeinflussen zu können.

Die systematische Erforschung dieser Phänomene begann Ende des 18. Jahrhunderts. Heute wissen wir um die physikalischen Zusammenhänge, und dennoch sind wir stets aufs Neue von Magneten und ihrem merkwürdigen Verhalten oder der Urgewalt eines Gewitters fasziniert.

Die elektromagnetischen Kräfte sind es, welche die Materie zusammenhalten, für chemische Reaktionen verantwortlich sind und uns über Licht- und Radiowellen Orientierung und Kommunikation ermöglichen. Der Umgang mit Elektrizität ist für uns so selbstverständlich geworden, dass wir sie nur noch bei einem Stromausfall bemerken. Strom ist für fast alle technischen Dienstleistungen die praktischste Energieform. Er lässt sich sicher, schnell und preiswert über weite Strecken leiten und kann recht einfach in beliebige andere Energieformen, wie Bewegung, Wärme oder Licht, umgewandelt werden.

In welche Richtung fließt der Strom?

Strom fließt vom Pluspol zum Minuspol. Das ist die sog. technische Stromrichtung. Physikalisch betrachtet hat der Stromfluss die entgegengesetze Richtung, denn »Strom« ist nichts anderes als elektrische Ladungen – Elektronen –, die durch einen Leiter fließen: Beim Einschalten des Stroms baut sich in einem Leiter eine Spannung (genauer: ein elektrisches Feld) auf, unter deren Einfluss sich die Elektronen zu bewegen beginnen, und zwar wandern sie zum positiven Pol hin, weil sie negativ geladen sind. Je mehr Elektronen pro Zeiteinheit (also z. B. pro Sekunde) fließen, desto stärker ist der Strom. Die technische Stromrichtung bezieht sich auf hypothetische positive Ladungen – einfach aus pragmatischen Gründen. Zuständig für die Festlegung der Stromrichtung ist die Internationale Organisation für Normung (ISO; »S« steht für Standardization, dt. »Normumg«), die Vereinigung der nationalen Normungsorganisationen von über 150 Ländern.

Woraus werden Stromkabel hergestellt?

Aus von einer Isolation umgebenen elektrischen Leitern, das sind Materialien, auf und in denen elektrischer Strom nur mit geringen Verlusten transportiert sind. Alle Metalle gehören in diese Gruppe, ein nichtmetallischer Leiter ist z. B. Graphit. Isolatoren dagegen transportieren Strom so gut wie überhaupt nicht, unter diese Materialien fallen die meisten Kunststoffe und Keramik.

Übrigens: Unter den Metallen gibt es große Unterschiede in der elektrischen Leitfähigkeit. Beispielsweise leiten die Edelmetalle und das Halbedelmetall Kupfer den Strom sehr gut. Da Kupfer in großen Mengen vorkommt und daher deutlich billiger ist als Gold oder Silber, stellt man Kabel aus Kupfer her.

Warum ist nicht alles um uns herum elektrisch geladen?

Weil die Atome, aus denen alles aufgebaut ist, elektrisch neutral sind. Die elektrisch geladenen Teilchen im Inneren eines jeden Atoms neutralisieren sich gegenseitig. Jedes Atom besteht aus einem (elektrisch positiv geladenen) Kern, der von (negativ geladenen) Elektronen umgeben ist. Dabei enthält ein Atom gleich viele positiv wie negativ geladene Bausteine, so dass ein Atom nach außen neutral ist.

Im Inneren eines Atoms werden die Auswirkungen der getrennten Ladungen durchaus spürbar. Ihre Anordnung im Detail bestimmt das chemische Verhalten der Atome und Elemente.