Was ist Elektrizität?

Definition von Elektrizität & grundlegende Begriffe 

Was ist Elektrizität? Die Antwort auf diese Frage ist der Schlüssel zum Verständnis, wie die Energie erzeugt wird, wie sie funktioniert und welche Bedeutung sie für die Menschheit hat. Elektrizität ist der Fluss von geladenen Teilchen, den Elektronen, durch ein leitendes Material. Elektronen sind neben Protonen und Neutronen die Bausteine eines Atoms, aus denen alles auf der Welt besteht.

Elektrizität ist eine Form von Energie. Sie wird jedoch als sekundäre Energiequelle betrachtet, da sie nur durch die Umwandlung anderer Energiequellen gewonnen werden kann. Bei diesen anderen Quellen kann es sich entweder um erneuerbare Energien wie Solarenergie oder um nicht-erneuerbare Energien wie Kohle handeln.

Im Zusammenhang mit Elektrizität gibt es einige grundlegende Begriffe. Die Analyse dieser vier Begriffe ist der Schlüssel zum Verständnis der Energie und ihrer Funktionsweise:

Strom

Strom ist die Geschwindigkeit, mit der die elektrische Ladung, also die Elektronen, durch ein bestimmtes Material fließt. Der Strom wird in Ampere gemessen.

Spannung

Die Spannung ist die elektromotorische Kraft, die Ladungen durch einen Leiter schiebt oder fließen lässt und wird in Volt gemessen.

Widerstand

Es gibt zwei häufig gestellte Fragen zu dieser Energie. Sie lauten: „Wer hat den Strom erfunden?“ und „Wann wurde der Strom entdeckt?“. Diese beiden Fragen zeigen, dass es den Irrglauben gibt, sie sei erfunden worden, was nicht der Fall ist. Elektrizität hat es in der Natur schon immer gegeben, das heißt, sie wurde nicht erfunden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben sie erst mit der Zeit entdeckt und verstanden.

Die Entdeckung der Elektrizität hat eine komplizierte Geschichte. Daher ist es schwierig, diese Errungenschaft einer einzelnen Person zuzuschreiben. Trotz der komplizierten Geschichte neigen viele Menschen dazu, die Entdeckung mit Benjamin Franklin in Verbindung zu bringen. Das liegt an dem Drachenexperiment, das er 1752 durchführte.

Mit diesem Versuch wollte Franklin zeigen, dass Blitze aus Elektrizität bestehen. Bei dem Experiment band er einen Metallschlüssel an einen Drachen, den er bei einem Gewitter steigen ließ. Franklin wollte, dass der Metallschlüssel die Energie des Blitzes anzapft und sie über die Drachenschnur auf seine Hände überträgt. Am Ende funktionierte das Experiment so, wie er es sich vorgestellt hatte: Er bekam einen Stromschlag, aber die Auswirkungen waren nicht tödlich.

Das Drachenexperiment führte zu einem gesteigerten Interesse an der Elektrizität, was wiederum zu weiteren Entdeckungen und Verbesserungen führte. Nach Franklins Experiment entdeckte Alessandro Volta zum Beispiel, dass einige chemische Reaktionen ebenfalls diese Energie erzeugen.

Daraufhin erfand er im Jahr 1800 die Voltasche Säule, eine Form der elektrischen Batterie. Sie gilt als die erste praktische Methode zur Stromerzeugung. Andere renommierte Wissenschaftler wie Michael Faraday und Nikola Tesla führten später Forschungen und Experimente durch, die das Verständnis der Menschen für diese Energieform verbesserten.

Es gibt verschiedene Methoden der Stromerzeugung, die von der Art der Energiequelle abhängen, die verwendet wird. Es gibt drei Kategorien von Energiequellen, die zur Stromerzeugung genutzt werden. Das sind fossile Brennstoffe, Kernkraft und erneuerbare Energien.

Turbinen wandeln die kinetische Energie des Dampfes in mechanische Energie um, die die Welle des angeschlossenen Generators in Drehung versetzt. Die Generatoren wiederum wandeln die zugeführte mechanische Energie in elektrische Energie um, die dann an Transformatoren weitergeleitet wird. Die Transformatoren setzen die erzeugte Energie auf Hochspannung hoch, die leicht über weite Strecken übertragen werden kann.

Die Erzeugung von Strom durch Generatoren wird durch die Beziehung zwischen elektrischer Energie und Magnetismus ermöglicht. Wie Michael Faraday entdeckte, fließt jedes Mal ein elektrischer Strom, wenn sich ein Magnet in einem Draht bewegt. Generatoren machen sich dieses Prinzip zu eigen, verwenden aber einen Elektromagneten anstelle eines herkömmlichen Magneten.

In jedem Generator befinden sich isolierte Drahtspulen, die den Zylinder bilden. Außerdem befindet sich im Generator eine rotierende elektromagnetische Welle. Wenn sich die Welle dreht, nachdem eine Turbine sie angetrieben hat, wird ein Strom in den Drähten erzeugt. Das Ergebnis ist die Erzeugung von Strom. Der erzeugte Strom wird dann an andere elektrische Anlagen oder Geräte wie Transformatoren weitergeleitet, um sie zu verbessern.

Kernkraftwerke arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie bei der Erzeugung mit fossilen Brennstoffen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass Kernkraftwerke keine fossilen Brennstoffe verbrennen, sondern die bei einer Spaltungsreaktion freigesetzte Wärme nutzen.

Die Wärme wird dann genutzt, um Wasser in Dampf umzuwandeln, der kinetische Energie enthält, die von Turbinen in mechanische Energie umgewandelt wird. Die Generatoren in der Anlage wandeln diese Energie schließlich in elektrischen Strom um.

Es gibt viele Arten von erneuerbaren Energiequellen. Die meisten von ihnen unterscheiden sich darin, wie sie Strom erzeugen.

Bei der Solarenergie wird er von Sonnenkollektoren erzeugt, sobald sie mit den Energieteilchen der Sonne in Kontakt kommen. Dadurch wird der photovoltaische Effekt ausgelöst, der dazu führt, dass sich die Elektronen in den Zellen lösen und bewegen. Der erzeugte Gleichstrom wird dann direkt genutzt, in eine Batteriebank geleitet oder an einen Wechselrichter weitergeleitet, wo er in Wechselstrom umgewandelt wird.

Bei der Windenergie wird die kinetische Energie der Rotorblätter von der Windturbine in mechanische Energie umgewandelt. Ein Generator in der Turbine nutzt dann die mechanische Energie, um Strom zu erzeugen.

In einem geothermischen Kraftwerk wird der heiße Dampf aus dem Boden unter hohem Druck genutzt, um Turbinen zu drehen. Diese Turbinen treiben dann auf die gleiche Weise wie Kernkraftwerke Generatoren an, wodurch Strom erzeugt wird.

Wasserkraftwerke nutzen ebenfalls Turbinen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass sie von Wasser angetrieben werden und nicht von Dampf, wie es bei fossilen Kraftwerken der Fall ist. Unter hohem Druck treibt das Wasser aus einem Staudamm die Turbinen an, die dann die Welle eines Generators drehen. Der gesamte Prozess führt zur Umwandlung von Bewegungsenergie in mechanische Energie und dann in elektrische Energie.

Es gibt zwei Arten von Elektrizität: statische und aktuelle Elektrizität.

Durch das Reiben eines Luftballons erhöht sich die Anzahl der negativen Ladungen oder Elektronen auf seiner Oberfläche. Wenn die Wand also mehr positive Ladungen hat, wird sie den Ballon anziehen, denn entgegengesetzte Ladungen ziehen sich gegenseitig an. Die beiden Objekte bleiben so lange aneinander haften, bis die positiven und negativen Ladungen sich entladen haben.

Statische Elektrizität kann gefährlich sein. Sie kann zum Beispiel einen elektrischen Schlag verursachen, der manchmal tödlich sein kann. Sie kann auch einen Funken erzeugen, der brennbare Materialien entzündet und zu einem Brand oder einer Explosion führt. Solche Unfälle passieren, wenn brennbare Flüssigkeiten wie Benzin durch ein Rohr fließen, was zur Erzeugung statischer Elektrizität führen kann.

Aktuelle Elektrizität bezieht sich auf den Fluss von elektrischer Ladung oder Elektronen in einem bestimmten Material. Im Gegensatz zur statischen Energie, bei der positive und negative Ladungen auf der Oberfläche eines Objekts bleiben, muss die aktuelle Elektrizität durch ein Objekt fließen.

Aus diesem Grund werden Materialien als gute oder schlechte Stromleiter angesehen. Gute Leiter sind solche, durch die Strom fließen kann, wie Kupfer und Aluminium. Schlechte Leiter sind solche, die dem Elektronenfluss widerstehen. Beispiele dafür sind Gummi und Holz.

Strom wird weiter unterteilt in Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC). Der Hauptunterschied zwischen den beiden ist, dass bei Gleichstrom die Elektronen in eine Richtung fließen. Bei Wechselstrom hingegen wechseln sie ständig, wobei sie sich mal in die Vorwärts- und mal in die Rückwärtsrichtung bewegen.

Im späten neunzehnten Jahrhundert, als die elektrische Energie noch verbessert wurde, gab es eine Debatte darüber, welche Art von Strom die beste ist. An dem Streit waren die größten Köpfe in Europa und Amerika beteiligt, wie Nikola Tesla und Thomas Edison. Sie stritten sich darüber, welche der beiden Stromarten – Gleichstrom und Wechselstrom – als Standard angenommen werden sollte.

Schließlich setzte sich der Wechselstrom durch, da er im Gegensatz zum Gleichstrom über große Entfernungen ohne nennenswerte Leistungsverluste übertragen werden konnte. Möglich wurde dies dadurch, dass Wechselstrom während der Übertragung auf eine hohe Spannung hochgefahren werden kann. Bei der Verteilung kann die Spannung dann wieder auf ein angemessenes Niveau gesenkt werden.

Aus demselben Grund nutzen viele Haushalte, Industrien und Institutionen in der modernen Welt Wechselstrom. Aber auch Gleichstrom wird immer beliebter. Diese Entwicklung lässt sich auf den technischen Fortschritt zurückführen, der die Erzeugung, Übertragung und Verteilung von Strom verbessert hat.

Die Menge an Strom, die zu einem bestimmten Zeitpunkt verbraucht wird, wird mit einem Energiemessgerät in Watt (W) gemessen. Watt ist auch die Einheit, mit der die elektrische Leistung gemessen wird.

Die Leistung wird bestimmt, indem man das Produkt aus Stromstärke und Spannung ermittelt. Ein Watt entspricht also einem Ampere multipliziert mit einem Volt. Die Menge des verbrauchten oder erzeugten Stroms hängt von der Art des Geräts oder Systems ab.

Der Strom in Kraftwerken wird zum Beispiel in Megawatt (MW) gemessen, da er sehr hoch ist. Im Gegensatz dazu wird die von kleineren Geräten verbrauchte Leistung in Watt oder Kilowatt gemessen.

Wie bereits erwähnt, wird der Strom, der zu einem bestimmten Zeitpunkt verbraucht oder erzeugt wird, in Watt gemessen. Die Energie, die über einen bestimmten Zeitraum verbraucht oder erzeugt wird, wird jedoch in Wattstunden gemessen. Ein 300-Watt-Paneel in einer Solaranlage würde zum Beispiel 300 Wattstunden Strom erzeugen, wenn es eine Stunde lang von der Sonne beschienen wird.

In Privathaushalten, im Gewerbe und in der Industrie verwenden Energieversorgungsunternehmen Stromzähler, um den Energieverbrauch eines Kunden zu messen. Anhand der Messwerte werden dann Stromrechnungen erstellt, auf denen der Energieverbrauch in Kilowattstunden (kWh) angegeben ist.

Es gibt auch fortschrittliche Zähler, die zur Messung von Strom verwendet werden. Ein Beispiel dafür ist der Netzzähler, der in netzgekoppelten und hybriden Solaranlagen eingesetzt wird. Dieser Zähler misst den Strom, den ein Haus oder ein Unternehmen aus dem Netz bezieht, in Kilowattstunden (kWh) im Vergleich zu dem, was die Solaranlage in das nationale Netz einspeist.

Elektrizität ist ein lebenswichtiges Gut in der modernen Welt. Es gibt viele Anwendungen in Haushalt, Gewerbe, Industrie und Verkehr.

Häusliche Anwendungen

Die Energie wird in einer Vielzahl von Haushalten genutzt. Zu den häufigsten Anwendungen gehört die Stromversorgung von Geräten, die für Folgendes genutzt werden:

In Büros, Lagerhäusern, Hotels, Krankenhäusern, Schulen und anderen kommerziellen Einrichtungen wird elektrische Energie unter anderem für Folgendes verwendet

Energie ist der Schlüssel für das erfolgreiche Funktionieren von Industrien auf der ganzen Welt. In diesem Sektor wird sie unter anderem für folgende Zwecke verwendet:

• Beleuchtung
• Antrieb von Maschinen
• Heiz- und Kühlprozesse
• Heizkessel
• Kältetechnik
• Klimatisierung
• Heizung der Anlagen

Die Nachfrage nach Strom im Transportsektor ist in den letzten Jahrzehnten gestiegen. Er gilt heute als Alternative zu herkömmlichen Kraftstoffen, die lange Zeit für den Betrieb von Zügen und Fahrzeugen verwendet wurden. Derzeit treibt er elektrische Züge und Autos auf der ganzen Welt an.