1  Elektrotechnik Grundlagen

1.1  Grundbegriffe in der Elektrotechnik

Die Elektronik ist ein Teilgebiet der Elektrik. Diese bildet eine Untergruppe der Physik . Wir wollen hier nun einige wichtige Grundvoraussetzungen schaffen, indem die Grundbegriffe der Elektrik dargestellt werden.

Woher kommt der Name Elektrizität?

Schon im Altertum wurde eine elektrische Erscheinungsform, die elektrostatische Aufladung beobachtet. Bernstein kann, mit Wolle gerieben, leichte Körper (Papierschnitzel, Haare usw.) anziehen. Griechisch heißt Bernstein: Ελεκτρον (Elektron). Das abgeleitete Wort Elektrizität ist demnach ein Begriff für eine Naturerscheinung, eine Energieform, die mit unseren Sinnesorganen nicht erfassbar ist. Die Elektrizität ist nur an ihren Wirkungen zu erkennen.

Positiv und negativ

Durch Experimente wurden zweierlei elektrische Erscheinungsformen entdeckt: Ein Glasstab, mit Seide oder Papier gerieben, stößt einen ebenso behandelten Glasstab ab, zieht dagegen einen mit Wolle geriebenen Hartgummistab an. Es wurden daher zwei Ladungszustände unterschieden: positiv (+) und negativ (–). Aus den genannten Versuchen ergibt sich auch das Gesetz:

Gleichnamige Ladungen (– und – oder + und +) stoßen sich ab, ungleichnamige Ladungen (– und +) ziehen sich an.

Atome, Moleküle, Elektronen, Ionen

Chemische Stoffe sind aus Molekülen aufgebaut. Das Molekül ist das kleinste Teilchen einer chemischen Verbindung. Zwei oder mehr Atome bilden diesen größeren Verband der Materie. Die Atome, die kleinsten mechanisch oder chemisch nicht mehr teilbaren Teile der Materie, der Elemente, bestehen aus dem schweren positiven Kern, um den herum sich Elektronen auf kreisförmigen und elliptischen Bahnen bewegen. Die Elektronen sind kleiner und leichter als der Kern und haben eine negative Ladung. Kernmasse, Elektronenzahl und ihr Abstand stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander. Positive und negative Ladungen halten sich im Atom die Waage. Verliert das Atom durch äußere Einwirkung ein oder mehrere Elektronen, so wird die positive Ladung des Kerns nicht mehr vollständig neutralisiert, der Atomrest erscheint nach außen positiv geladen und wird positives Ion genannt. Ein Elektronenüberschuss lässt die negative Ladung überwiegen, es entstehen negative Ionen.

Aggregatzustände

Stoffe kommen in der Natur in 4 sogenannten Aggregatzuständen vor: fest, flüssig, gasförmig und als Plasma . Plasma ist ein gasförmiger Stoff, dem durch Energiezufuhr alle Elektronen entzogen sind. Er ist deshalb elektrisch sehr gut leitend. Die Sonne beispielsweise besteht überwiegend aus Plasma.

Beispiele des Atomaufbaus

Lithium hat drei Elektronen, die sich auf verschiedenen Bahnen um den Kern bewegen. Die beiden Innenbahnen sind kreisförmig. Die Außenbahn hat Ellipsenform, wie in Abb. 1.1 zu erkennen ist. Der Durchmesser des Atoms beträgt 10–10 m.

Bild 1.1  Lithiumatom

Bild 1.2  Kupferatom

Leiter, Nichtleiter (Isolator) und Halbleiter

Alle Metalle (z. B. Kupfer) haben ihre Atome regelmäßig im Raum angeordnet. Die chemischen Kräfte halten die Atome in einer kristallinen Struktur im Raum fest. Die äußeren Hüllelektronen der Metallatome sind nicht an ein bestimmtes Atom, sondern nur an die Gesamtheit der Atome im Kristall gebunden, wie Abb. 1.3 zeigt. Sie werden im Gegensatz zu den Elektronen, die ständig im Verband desselben Atoms verbleiben, qua sifreie (gewissermaßen freie) Elektronen genannt.

Bild 1.3  Kristallgitter

1.2  Erscheinungsformen der Elektrizität

Die Erscheinungsformen der Elektrizität sind vielfältig. Die bekannteste Naturerscheinung äußert sich im Gewitter, wo Spannungen von einigen Millionen Volt und Ströme von 20000 Ampere (André-Marie Ampère 1775-1836, französischer Physiker und Mathematiker) und mehr auftreten können. Wir wollen an dieser Stelle einige Versuche gedanklich durchspielen, bei denen Elektrizität erzeugt wird und nachgewiesen werden kann.

Elektroskop

Ein selbst gebautes Elektroskop zeigt elektrische Ladungen an. Die Anzeige erfolgt nach dem Gesetz:

Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab.

Bild 1.4  Elektroskop – Elektronen werden verdrängt und stoßen sich gegenseitig ab

Erläuterung:

Der geriebene Stab wird durch die innige Verbindung der beiden Körper (Baumwolltuch und Stab) beim Reiben elektrisch geladen. Da der Stab gut isoliert, bleibt die Ladung auf ihm sitzen.