Elektrizität

Es gibt zwei Arten von elektrischen Ladungen, die sich gegenseitig drücken und ziehen: positive Ladungen und negative Ladungen. Elektrische Ladungen schieben oder ziehen sich gegenseitig, wenn sie sich nicht berühren. Dies ist möglich, weil jede Ladung ein elektrisches Feld um sich herum erzeugt. Ein elektrisches Feld ist ein Bereich, der eine Ladung umgibt. An jedem Punkt in der Nähe einer Ladung weist das elektrische Feld in eine bestimmte Richtung. Wenn eine positive Ladung an diesen Punkt gebracht wird, wird sie in diese Richtung geschoben. Wird eine negative Ladung an diesen Punkt gebracht, wird sie in die genau entgegengesetzte Richtung geschoben.

Sie wirkt wie Magnete, und tatsächlich erzeugt Elektrizität ein Magnetfeld, in dem sich ähnliche Ladungen abstoßen und entgegengesetzte Ladungen anziehen. Das bedeutet, wenn man zwei Negative nahe beieinander legt und sie loslässt, würden sie sich auseinander bewegen. Dasselbe gilt für zwei positive Ladungen. Wenn man jedoch eine positive Ladung und eine negative Ladung nahe beieinander legt, würden sie sich zueinander hinziehen. Ein kurzer Weg, um sich daran zu erinnern, ist der Ausdruck "Gegensätze ziehen Gleiches an".

Die gesamte Materie im Universum besteht aus winzigen Teilchen mit positiven, negativen oder neutralen Ladungen. Die positiven Ladungen werden als Protonen und die negativen Ladungen als Elektronen bezeichnet. Protonen sind viel schwerer als Elektronen, aber beide haben die gleiche Menge an elektrischer Ladung, außer dass Protonen positiv und Elektronen negativ sind. Weil "Gegensätze sich anziehen", haften Protonen und Elektronen zusammen. Einige wenige Protonen und Elektronen können größere Teilchen bilden, die als Atome und Moleküle bezeichnet werden. Atome und Moleküle sind immer noch sehr winzig. Sie sind zu klein, um gesehen zu werden. Jeder große Gegenstand, wie Ihr Finger, enthält mehr Atome und Moleküle, als man zählen kann. Wir können nur schätzen, wie viele es sind.

Da negative Elektronen und positive Protonen zu großen Objekten zusammenkleben, sind alle großen Objekte, die wir sehen und fühlen können, elektrisch neutral. Elektrisch ist ein Wort, das "Elektrizität beschreiben" bedeutet, und neutral ist ein Wort, das "ausgeglichen" bedeutet. Deshalb spüren wir nicht, wie Objekte aus der Entfernung auf uns drücken und ziehen, wie es der Fall wäre, wenn alles elektrisch geladen wäre. Alle großen Objekte sind elektrisch neutral, weil es in der Welt die gleiche Menge an positiver und negativer Ladung gibt. Wir könnten sagen, dass die Welt genau ausgeglichen oder neutral ist. Die Wissenschaftler wissen immer noch nicht, warum dies so ist.

Die Elektronen können sich rund um das Material bewegen. Protonen bewegen sich nie um ein festes Objekt, weil sie zumindest im Vergleich zu den Elektronen so schwer sind. Ein Material, das Elektronen umherwandern lässt, wird als Leiter bezeichnet. Ein Material, das jedes Elektron fest an seinem Platz hält, wird als Isolator bezeichnet. Beispiele für Leiter sind Kupfer, Aluminium, Silber und Gold. Beispiele für Isolatoren sind Gummi, Kunststoff und Holz. Kupfer wird sehr oft als Leiter verwendet, weil es ein sehr guter Leiter ist und es so viel davon auf der Welt gibt. Kupfer findet sich in elektrischen Drähten. Aber manchmal werden auch andere Materialien verwendet.

Im Inneren eines Leiters springen Elektronen umher, aber sie bleiben nicht lange in einer Richtung stehen. Wenn im Inneren des Leiters ein elektrisches Feld aufgebaut wird, beginnen sich die Elektronen alle entgegen der Richtung zu bewegen, in die das Feld zeigt (weil die Elektronen negativ geladen sind). Eine Batterie kann im Inneren eines Leiters ein elektrisches Feld erzeugen. Wenn beide Enden eines Drahtstücks mit den beiden Enden einer Batterie verbunden sind (die so genannten Elektroden), wird die entstandene Schleife als elektrischer Schaltkreis bezeichnet. Solange die Batterie im Inneren des Drahtes ein elektrisches Feld erzeugt, fließen Elektronen um den Stromkreis herum und um ihn herum. Dieser Elektronenfluss um den Stromkreis wird als elektrischer Strom bezeichnet.

Ein leitender Draht, der zur Übertragung von elektrischem Strom verwendet wird, ist oft in einen Isolator wie Gummi gewickelt. Das liegt daran, dass stromdurchflossene Drähte sehr gefährlich sind. Wenn eine Person oder ein Tier einen stromdurchflossenen blanken Draht berühren würde, könnte sie/er verletzt werden oder sogar sterben, je nachdem, wie stark der Strom ist und wie viel elektrische Energie der Strom überträgt. Sie sollten in der Nähe von Steckdosen und blanken Drähten, die Strom führen könnten, vorsichtig sein.

Es ist möglich, ein elektrisches Gerät an einen Stromkreis anzuschließen, so dass elektrischer Strom durch ein Gerät fließt. Dieser Strom wird elektrische Energie übertragen, um das Gerät dazu zu bringen, etwas zu tun, was wir von ihm wollen. Elektrische Geräte können sehr einfach sein. In einer Glühbirne zum Beispiel leitet Strom Energie durch einen speziellen Draht, einen so genannten Glühfaden, der sie zum Glühen bringt. Elektrische Geräte können auch sehr kompliziert sein. Elektrische Energie kann verwendet werden, um einen Elektromotor in einem Werkzeug wie einer Bohrmaschine oder einem Bleistiftanspitzer anzutreiben. Elektrische Energie wird auch verwendet, um moderne elektronische Geräte wie Telefone, Computer und Fernseher anzutreiben.

Einige Begriffe im Zusammenhang mit Elektrizität

Hier sind einige Begriffe, auf die man stoßen kann, wenn man untersucht, wie Elektrizität funktioniert. Das Studium der Elektrizität und wie sie elektrische Schaltkreise ermöglicht, wird als Elektronik bezeichnet. Es gibt ein Gebiet der Technik, das Elektrotechnik genannt wird und in dem Menschen mit Hilfe von Elektrizität neue Dinge erfinden. Alle diese Begriffe sind wichtig, damit sie sie kennen.

• Strom ist die Menge der elektrischen Ladung, die fließt. Wenn 1 Coulomb Elektrizität irgendwo in 1 Sekunde vorbeifließt, beträgt der Strom 1 Ampere. Um den Strom an einem Punkt zu messen, verwenden wir ein Amperemeter.

• Die Spannung, auch "Potentialdifferenz" genannt, ist der "Schub" hinter dem Strom. Sie ist die Menge an Arbeit pro elektrischer Ladung, die eine elektrische Quelle leisten kann. Wenn 1 Coulomb Elektrizität 1 Joule Energie hat, hat sie 1 Volt elektrisches Potential. Um die Spannung zwischen zwei Punkten zu messen, verwenden wir ein Voltmeter.

• Widerstand ist die Fähigkeit einer Substanz, den Stromfluss zu "verlangsamen", d.h. die Geschwindigkeit zu verringern, mit der die Ladung durch die Substanz fließt. Wenn eine elektrische Spannung von 1 Volt einen Strom von 1 Ampere durch einen Draht aufrechterhält, beträgt der Widerstand des Drahtes 1 Ohm - dies wird als Ohmsches Gesetz bezeichnet. Wenn dem Stromfluss entgegengewirkt wird, wird Energie "verbraucht", d.h. sie wird in andere Formen umgewandelt (z.B. Licht, Wärme, Schall oder Bewegung).

• Elektrische Energie ist die Fähigkeit, mit Hilfe von elektrischen Geräten Arbeit zu verrichten. Elektrische Energie ist eine "konservierte" Eigenschaft, d.h. sie verhält sich wie eine Substanz und kann von Ort zu Ort bewegt werden (z.B. entlang eines Übertragungsmediums oder in einer Batterie). Elektrische Energie wird in Joule oder Kilowattstunden (kWh) gemessen.

• Elektrische Leistung ist die Rate, mit der elektrische Energie verwendet, gespeichert oder übertragen wird. Der Fluss der elektrischen Energie entlang von Stromleitungen wird in Watt gemessen. Wenn die elektrische Energie in eine andere Energieform umgewandelt wird, wird sie in Watt gemessen. Wenn ein Teil davon umgewandelt und ein Teil gespeichert wird, wird sie in Voltampere gemessen, oder wenn sie gespeichert wird (wie in elektrischen oder magnetischen Feldern), wird sie in Voltampere reaktiv gemessen.

Elektrische Energie wird meist an Orten erzeugt, die Kraftwerke genannt werden. Die meisten Kraftwerke verwenden Wärme, um Wasser zu Dampf zu kochen, der eine Dampfmaschine antreibt. Die Turbine der Dampfmaschine dreht eine Maschine, die als "Generator" bezeichnet wird. Gewickelte Drähte im Inneren des Generators werden in einem Magnetfeld zum Drehen gebracht. Dies bewirkt, dass Elektrizität durch die Drähte fließt und elektrische Energie transportiert. Dieser Vorgang wird elektromagnetische Induktion genannt. Michael Faraday hat herausgefunden, wie man das macht.

Es gibt viele Wärmequellen, die zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden können. Wärmequellen lassen sich in zwei Arten einteilen: erneuerbare Energiequellen, bei denen das Angebot an Wärmeenergie niemals erschöpft ist, und nicht erneuerbare Energiequellen, bei denen das Angebot irgendwann erschöpft sein wird.

Manchmal kann eine natürliche Strömung, wie z.B. Wind- oder Wasserkraft, direkt genutzt werden, um einen Generator zu drehen, so dass keine Wärme benötigt wird.