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Elektrizität

Elektrizität ist eine Form von Energie, die sich entweder als statische Elektrizität an einem bestimmten Ort oder als elektrischer Strom, der durch das Material von einem Ort zum anderen fließt, manifestiert.

Statische Elektrizität

Statische Elektrizität entsteht zum Beispiel, wenn ihr etwas gegen das andere reibt. Wenn wir zum Beispiel einen Ballon um die Haare reiben, werden sie dann zum Ballon gezogen. Dies liegt daran, dass durch die Reibung auf beiden Oberflächen die entgegengesetzte elektrische Ladung (eine kleine Menge an Elektrizität) entsteht, was dadurch zum Ausdruck kommt, dass der schwerere Ballon die leichteren Haare anzieht, wenn der Ballon in der Hand gehalten wird.

Ein ähnliches Phänomen kann beobachtet werden, wenn wir auf einem Nylonteppich laufen. Während des Laufens reiben wir auch unbewusst um den Teppich, unser Körper lädt sich allmählich mit einer elektrischen Ladung auf, und dann, zum Beispiel, berühren wir einen Metallgriff und fühlen einen „Tritt“, was ein Gefühl von Elektroschock ist, in dem die akkumulierte elektrische Ladung durch Erdung entladen wird. Wenn wir den Griff in der Dunkelheit berühren, können wir sogar den Schock in Form eines kleinen „Blitzes“ sehen, der zwischen der Hand und dem Griff springt, bevor wir ihn berühren. Dies bedeutet, dass statische Elektrizität auch aus der Entfernung auftritt.

Blitze

Die Blitze, die während des Sturms im Himmel beobachtet werden, sind auch die Manifestationen der statischen Elektrizität. Indem die Wolken (kondensiertes Wasser in der Atmosphäre) durch Luftströme bewegt werden, werden sie um die Umgebungsluft gerieben und mit elektrischer Ladung geladen. Wenn die elektrische Ladung ausreicht, springt sie in Form eines Blitzes zur Erde. Ausreichend sensible Menschen empfinden sogar sanftes Zittern oder Krabbeln in der Luft oder Schläge, wenn der Sturm nahe ist. Die elektrische Entladung in Form von Blitzen hat gewaltige Ausmaße, was sich in der enormen Menge an akkumulierter Elektrizität widerspiegelt und ist auch ein Hinweis darauf, wie weit die elektrische Ladung wirkt.

Elektrizität

Elektrizität wird durch Elektronen verursacht. Elektroden sind atomare Teilchen, die an den Rändern der Atome, aus denen alle Materialien bestehen, „umkreisen“. Jedes Elektron trägt eine negative Ladung. Die Atome selbst haben meist eine ausgewogene Anzahl positiver Ladungen (im Kern des Atoms) und negativer Ladungen (in der Atomhülle), sie sind elektrisch neutral, sie haben keine elektrische Ladung. Die Stoffe, zum Beispiel der Gummi, aus dem der Ballon besteht, bestehen aus Molekülen und diese aus einzelner Atome. Da Atome keine elektrische Ladung haben, haben auch Moleküle, die aus Atomen bestehen, keine von diesen, so dass der Stoff selbst, in unserem Fall der Gummi, aus dem der Ballon besteht, keine elektrische Ladung hat.

Aber wenn wir anfangen, einen Ballon von anderem Zeug hin und her zu reiben, beginnt sich die elektrische Ladung zu bilden. Durch Drücken und Ziehen unserer Hände lösen sich einige Elektronen von der Oberfläche des Ballons und bleiben auf der Oberfläche des Stoffes haften, den wir reiben, beispielsweise auf unseren Haaren. Dies bedeutet, dass dem Ballon alleine die Elektronen fehlen und er wird positiv geladen (er wird eine kleine positive elektrische Ladung erhalten). Umgekehrt enthalten unsere Haare mehr Elektronen als üblich und erhalten daher eine kleine negative elektrische Ladung. Weil die positiven und negativen elektrischen Ladungen (wie die entgegengesetzten magnetischen Pole) gezogen werden, zieht der Ballon die Haare an. Diese anziehende Kraft wirkt über eine gewisse Distanz.

Um elektrische Ladungen zu erzeugen, reicht es nicht aus, nur zwei Gegenstände zu reiben, wichtiger ist, dass wir zwei Gegenstände aus zwei verschiedenen Materialien reiben. Durch Reiben zweier Materialien entsteht eine elektrische Ladung aufgrund der so genannten Tribo-Elektrizität (oder auch des triboelektrischen Effekts).

Wie oben erwähnt, bestehen alle Stoffe aus neutralen Atomen. Verschiedene Stoffe bestehen aus verschiedenen Molekülen, die aus verschiedenen, aber immer neutralen Atomen bestehen. In Molekülen verschiedener Substanzen werden die Elektronen einzelner Atome von einer großen Menge an Kraft angezogen, abhängig davon, welche chemischen Bindungen in Atomen zwischen Atomen gefunden werden. Somit können durch Reibung zweier Stoffe Elektronen, die in einem Stoff schwächer gebunden sind, freigesetzt werden und an die Oberfläche des zweiten Stoffes wandern, in dem die Elektronen stärker gezogen werden. Als Ergebnis wird ein Material positiv geladen (eines, das die Elektronen verliert) und das andere negativ (dasjenige, das die Elektronen empfängt). Die Materialien sind elektrisiert und es wird statische Elektrizität erzeugt. Längere Materialreibung erhöht die Anzahl der Atome, die an dieser Elektronenverschiebung beteiligt sind, erhöht die elektrischen Ladungen beider Reibungsmaterialien und erhöht somit die statische Elektrizität.

Abbildung 11: Triboelektrische Reihe

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass für die gegenseitige Reibung zweier Substanzen typisch ist, dass einige Substanzen eine positive Ladung erhalten, während es für andere typisch ist, eine negative Ladung zu erhalten. Wie viel elektrische Ladung erhalten wird, hängt auch von der Tatsache ab, welcher Stoff reiben wir – manche Stoffe sind mit derselben Reibung elektrifizierter, andere weniger Auf der Grundlage dieses Wissens ist es möglich, die Stoffe in der Reihenfolge der bei der Reibung geladenen Ladung anzuordnen. Eine solche Anordnung von Stoffen nennen wir triboelektrische Reihe (siehe Abbildung 11).

Es ist notwendig, die fragliche Reihenfolge nicht sehr streng während der Untersuchung zu berücksichtigen, da die Stoffe selbst, die wiederum erwähnt werden, verschiedene Zusätze enthalten können, die ein leicht unterschiedliches Verhalten dieser Stoffe in gegenseitiger Reibung verursachen. Zum Beispiel werden Papier und Baumwolle als Stoffe angesehen, die mehr oder weniger keine Antwort auf die Erzeugung elektrischer Ladung haben. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sie nicht elektrifiziert werden können, insbesondere, wenn sie verschiedene Beimischungen oder Beschichtungen enthalten.

Es ist wichtig anzumerken, dass diese derzeit akzeptierte Erklärung der Erzeugung von statischer Elektrizität durch eine Reihe von Studien aus dem Jahr 2011 gestört wurde, in denen Wissenschaftler herausgefunden haben, dass statische Elektrizität nicht nur ein einfacher Elektronentransfer von einer Substanz zu einer anderen ist, sondern eine chemische Reaktion, die auftritt, wenn zwei Oberflächen berührt werden. Der Ausgangspunkt für ihre Untersuchung und Rückkehr zur Theorie der statischen Elektrizität war die Tatsache, dass statische Elektrizität auch entstehen kann, wenn zwei identische Stoffe kontaktiert werden, und selbst reicht es, wenn sie sich berühren (sie liegen übereinander), sie müssen nicht gerieben werden. Die neue Erklärung wurde jedoch noch nicht in einer kompakten Theorie spezifiziert, die die derzeit akzeptierte ersetzen würde. Dies ist ein wichtiges Merkmal wissenschaftlicher Theorien – sie sind nicht endgültig, sie unterliegen ständiger Überprüfung und mit der Entwicklung der Wissenschaft verbessern sie sich ständig.

Verwendung von statischer Elektrizität

Obwohl statische Elektrizität im Vergleich zum Strom relativ unbrauchbar scheint, verwenden wir sie in verschiedenen Geräten. Nach dem Prinzip der statischen Elektrizität arbeiten beispielsweise Laserdrucker und Kopierer. Mit statischer Elektrizität werden die Tonerteilchen von der Rolle auf das Papier übertragen. Herbizid-Zerstäuber arbeiten nach dem Prinzip der statischen Elektrizität, um sicherzustellen, dass Herbizide die gesamte Oberfläche von Pflanzenblättern erreichen, die entsorgt werden müssen. Auch Färbung- und Lackierroboter verwenden statische Elektrizität, um Farb- und Lacktropfen nur auf der Karosserie und nicht auf den anderen Geräten zu erzeugen. Statische Elektrizität wird häufig in verschiedenen Luftfiltern verwendet, um kleinere Verunreinigungen aus der Luft zu entfernen.

Auf der anderen Seite kann statische Elektrizität auch ernste Probleme verursachen, zum Beispiel beim Arbeiten mit kleinen elektronischen Bauteilen. Ein Verständnis des Prinzips der statischen Elektrizitätserzeugung und -zerstörung hilft Ingenieuren, antistatische Lösungen an Orten zu entwickeln, an denen das Vorhandensein von statischer Elektrizität unerwünscht ist.

Strom

Neben statischer Elektrizität kennen wir auch Elektrizität in Form von Strom. Wenn sich Elektronen von einem Ort zum anderen bewegen, sagen wir, dass der elektrische Strom fließt. Die Elektronen sind in diesem Fall die Träger von Elektrizität.

Um den Unterschied zwischen statischer Elektrizität und elektrischem Strom zu verstehen, ist es gut, den Unterschied zwischen potentieller und kinetischer Energie zu kennen. Einfach gesagt, potentielle Energie ist Energie, die in irgendeiner Weise für die spätere Verwendung gespeichert wird. Zum Beispiel hat ein Auto, das auf einem Berg steht, potentielle Energie, weil es das Potenzial hat (Option), bergab zu fahren. Wenn das Auto den Berg hinunterfährt, ändert sich seine potentielle Energie in die kinetische (die Energie, die das Objekt hat, wenn es sich bewegt).

Statische Elektrizität und Strom können mit potentieller und kinetischer Energie verglichen werden. Wenn statische Elektrizität entsteht, hat sie das Potential, in der Zukunft zu erscheinen. Die in der Batterie gespeicherte Elektrizität repräsentiert potentielle Energie. Zum Beispiel kann die in der Batterie gespeicherte Energie verwendet werden, um die Glühbirne zu beleuchten. Wenn die tragbare Lampe (Taschenlampe) eingeschaltet wird, stellt die Batterie im Inneren eine Glühbirne für Elektrizität bereit und diese wandelt sie in Lichtenergie um (das bedeutet, dass Batterieleistung verbraucht wird – und zu Licht wird). Während die Lampe (Taschenlampe) eingeschaltet ist, liefert die Batterie der Glühbirne Energie, bis die in der Batterie gespeicherte Energie aus ist.

Elektrische Schaltung

Um einen elektrischen Strom zu erzeugen, müssen wir eine elektrische Schaltung erstellen. Der Stromkreis muss geschlossen sein, wobei elektrische Geräte die Stromquelle (Batterie) mit dem Gerät verbinden (z. B. eine Glühbirne in einer tragbaren Lampe – eine Taschenlampe), die leitende Kabel verwenden. Der elektrische Strom fließt nur, wenn der Stromkreis geschlossen ist – das Kabel verbindet die Batterie mit der Glühbirne und die Glühbirne mit der Batterie. Der elektrische Stromkreisschluss ist auch für Geräte wie Glühbirnen erforderlich. Das Glühbirnenbild zeigt, wie ein Leiter in die Glühbirne (Nr. 8) eingeht und der andere ausgeht (Nr. 11). Wenn die Glühbirne nur mit einem Leiter an die Stromquelle (Batterie) angeschlossen wird, indem das Metallgewinde (Nr. 9) angeschlossen wird, in dem sich ein Teil des Schaltkreises (Nr. 8) innerhalb der Glühbirne befindet, wird der Stromkreis nicht geschlossen, da das andere Ende der Schaltung innerhalb der Glühbirne (Nr. 11) bleibt offen und die Glühbirne leuchtet nicht..

Abbildung 12: Elektrische Schaltung

Aus praktischer Sicht werden elektrische Geräte zu elektrischen Schaltungen hinzugefügt, der so genannte Schalter. Es ist ein Gerät, das den Stromkreis unterbricht. Wenn der Stromkreis unterbrochen wird, hört der elektrische Strom auf zu fließen und die Glühbirne leuchtet nicht auf.

Leiter und Isolatoren

Materialien, die elektrischen Strom führen, werden Leiter genannt. Diejenigen, die den elektrischen Strom nicht führen, werden elektrische Isolatoren genannt. Die besten Leiter des elektrischen Stroms sind Metalle (Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Nickel, Eisen usw.). Alle Metalle führen den elektrischen Strom. Der elektrische Strom führt auch der Graphit (Bleistift), menschlicher Körper, Salzwasser (aber auch andere wässrige Lösungen) und so weiter. Elektrische Isolatoren (Nichtleiter) umfassen beispielsweise Gummi, verschiedene Kunststoffe, Holz, Papier, Wachs, Glas, Porzellan und andere. Da der elektrische Strom ein Elektronenstrom ist, kann dieses Phänomen nur in Materialien beobachtet werden, deren Struktur die freie Bewegung von Elektronen erlaubt. Daher sind Metalle die besten elektrischen Stromleiter. Diese Materialien bezeichnen wir als diejenige, die eine hohe Leitfähigkeit haben. Somit werden die Stoffe auch so verteilt, wie sie elektrisch leitend sind.

Elektromagnet

Elektrische und magnetische Phänomene sind verwandt. Zum Beispiel begegnen wir wenn der elektrische Strom ein- oder ausgeschaltet wird. Dies kann beispielsweise beobachtet werden, indem ein Kompass in der ihnen mit der Verwendung der so genannten Elektromagneten. Der Elektromagnet ist Stahl, dessen magnetische Eigenschaft durch einen elektrischen Strom ein- oder ausgeschaltet werden kann. Sie werden zum Beispiel in Autofriedhöfen verwendet. Wenn wir das Wrack anheben wollen, annähern wir den Elektromagneten, schalten wir den elektrischen Strom ein und der Elektromagnet zieht das Auto an. Wir übertragen das Auto an die gewünschte Stelle, und wenn der elektrische Strom ausgeschaltet ist, ist die magnetische Eigenschaft verloren und der Elektromagnet ist von dem Wrack getrennt. Elektromagnete arbeiten an der Tatsache, dass ein magnetisches Feld um elektrische Drähte herum erzeugt wird.

Nähe eines elektrischen Kabels platziert wird und der Kompassnadel gedreht wird, wenn der Strom ein- oder ausgeschaltet wird. Das Magnetfeld entsteht als Folge der Änderung des elektrischen Stroms. Dieses Prinzip funktioniert auch bei Elektromotoren. Ein Elektromotor ist ein Gerät, das elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Elektrische Energie dreht den Motor der und bewegt den gesamten Mechanismus, an dem der Motor angeschlossen ist.

Elektromotor

Der Elektromotor besteht aus einem Zylinder, an dessen Rand sich Magnete befinden. In der Mitte des Zylinders befindet sich ein Stahlkern, der mehrfach mit einem elektrischen Kabel (z. B. Kupferdraht) umwickelt ist. Wenn wir Elektrizität in das Kabel fallen lassen, wird der Stahlkern aufgrund des Vorhandenseins eines Magnetfeldes magnetisiert, das durch den Strom erzeugt wird, der durch das Kabel fließt. Magnete, die sich an der Kante des Zylinders befinden, bewirken ein abwechselndes Ziehen und Abstoßen des Elektromagneten (des Stahlkerns) in der Mitte, was den Stahlkern des Motors und andere Komponenten des Geräts, die mit dem Motor verbunden sind, verdreht.

Dynamo

Wenn wir die Elektrizität nutzen, um einen Magneten zu erzeugen, können wir auch Elektrizität durch Magnetismus erzeugen. Dynamo ist ein Gerät ähnlich einem Elektromotor. Wenn wir die Pedale an einem Fahrrad drehen, dreht sich auch der Dynamo, der an der Radachse befestigt ist. Im Inneren des Dynamos befindet sich ein Stahlkern, der wie der Elektromagnet in ein mehradriges Elektrokabel gewickelt ist. Der Stahlkern bewegt sich zwischen den Magneten, um einen elektrischen Strom zu erzeugen, und z. B. können wir das Licht auf dem Fahrrad anzünden. Ähnlich funktioniert auch die Stromerzeugung in Kraftwerken, der einzige Unterschied ist, wie viel Energie wir verwenden, um den Stahlkern im Dynamo zu drehen. Zum Beispiel könnte es Wind oder Wasser sein, was den Kern des elektrischen Generators (Dynamos) dreht, aber auch Wasserdampf. Im Prinzip produzieren fast alle Kraftwerke auf die gleiche Weise Strom. Ausnahmen sind Solarkraftwerke. Wenn das Licht auf die Solarzelle fällt, fängt das Material, aus dem sie besteht (Silikon), die Energie des Lichts ein und wandelt es direkt in Elektrizität um. Da Energieverluste in solchen Geräten minimal sind, werden Solarzellen im Vergleich zu elektrischen Generatoren als sehr effizient angesehen.