8. Elektrizität: nach 200 Jahren Forschung Strom erzeugen  ohne zu wissen, was es ist - Alessandro Volta

Im Anschluss an die erste systematische Analyse der elektrischen Anziehung um 1600 wussten die Forscher während über 300 Jahren nicht, was Elektrizität ist. Sie wussten nur zunehmend, was sie tut.

Sogar als nach knapp 200 Jahren die erste Batterie erfunden worden war und erste Gesetzmässigkeiten errechnet werden konnten, verstand man noch nicht, was Elektrizität ist. Erst weitere 100 Jahre später, im Anschluss an die Entdeckung des Elektrons im Jahr 1897, konnten die elektrischen Vorgänge in den darauffolgenden Jahrzehnten zunehmend erklärt und visualisiert werden.

Bewusst wird in diesem Kapitel auf die Verwendung von Begriffen wie Elektronen oder Atomkerne verzichtet, denn diese Begriffe waren damals nicht bekannt. Auch die Abbildungen sind entsprechend simpel gehalten, entsprechend dem effektiven Verständnis der damaligen Zeit.

Ladung und Entladung: Elektrostatik (1600-1800)

1. Wissenschaftlich nahezu unbeachtet bis 1600
2. Elektrische Anziehung um 1600
3. Elektrisiermaschinen ab 1663 
4. Bläuliches Leuchten 1706
5. Elektrische Leiter und Nichtleiter  1729
6. Positive und negative Ladung 1733
7. Elektromotorik ab 1744
8. Elektrizitätsspeicherung 1745
9. Erdung
10. Atmosphäre und Blitze 1752
11. Ladungsverschiebung 1754
12. Muskelzuckungen ab 1781

Kontinuierliches elektrisches Fliessen: Strom (ab 1800)

1. Die erste Batterie 1800
2. Aufspaltung in chemische Elemente 1800
3. Helles Licht 1810
4. Erste Gesetzmässigkeiten 

Nur wenige Phänomene der Elektrizität sind in der natürlichen Umgebung des Menschen sichtbar oder erkennbar vorhanden:

• Der Blitz ist das bekannteste und spektakulärste Auftreten von Elektrizität.

• Die Schocks von Zitterrochen oder Zitteraalen beim Beutefang waren im alten Ägypten um 2750 v. Chr. bekannt.

• Die Anziehungskraft von Bernstein war im antiken Griechenland bekannt. Deren Beschreibung wird Thales von Milet um 600 v. Chr. zugeschrieben.

In der frühen wissenschaftlichen Literatur sind einige den Menschen erfahrbare elektrische Ereignisse vermutlich nicht beschrieben, z.B. die gelegentlichen elektrischen Stromstösse bei der Berührung einer Türklinke oder bei der gegenseitigen Berührung von zwei Menschen, sowie die Vielzahl von Lichtfunken die im Dunkeln beim Überziehen eines Pullovers gesehen werden.

Ein Zusammenhang zwischen den unterschiedlichen Erscheinungen blieb zum Teil bis in das 18. Jahrhundert unerkannt.

William Gilbert (1544-1603) machte als erster umfängliche experimentelle Untersuchungen bezüglich magnetiserbarer und elektrifizierbarer Materialien. Es war die Zeit, in der Galileo Galilei mit Experimenten die Mechanik zu analysieren begann.

Gilbert untersuchte ausser Bernstein (griech. ἤλεκτρον, elektron) viele weitere Materialien. Er entdeckte eine Anziehung z.B. auch bei Schwefel, Wachs oder Glas, nachdem diese Materialien gerieben wurden.

1600 veröffentlichte er die Ergebnisse seiner umfangreichen Studien in 6 Büchern und führte die Bezeichnung „vis electrica“ (lat., "Bernsteinkraft") ein.  

Da es noch an die 150 Jahre dauern würde, bis die Erforschung der Elektrizität wesentliche Fortschritte machte war sein Name und seine Arbeit lange nur Forschern bekannt.

Eins der von Gilbert verwendeten simplen Geräte (das von ihm erfundene Versorium) entspricht im Aufbau einem Kompass. Anstelle einer magnetischen hat es eine metallische Nadel, die auf die Anziehungskraft von durch Reiben unsichtbar "veränderter" Materialien reagiert.  

 
Um 1663 entwickelte Otto von Guericke mit einer drehbaren Schwefelkugel eine Reibungsmaschine (Elektrisiermaschine). Das "Elektrifizieren" der drehenden Kugel erfolgte mittels Reibung durch das Auflegen einer Hand. 

Mit Hilfe dieses Geräts konnten Effekte von "elektrifiziertem" Material vorgeführt werden. Es war dazu erdacht, "kosmische Wirkkräfte" (virtutes mundanae) nachzuweisen.

1671 stellte  Gottfried Wilhelm Leibniz fest, dass Funken mit Elektrizität zusammenhängen. 1708 führte Samuel Wall Experimente durch und erzeugte Funken, indem er Bernstein mit Stoff rieb.

1675 stellte Robert Boyle (1627–1691) fest, dass elektrische Anziehung und Abstossung ein Vakuum durchquert und somit auf Luft als Medium nicht angewiesen ist.

Als entdeckt wurde, dass Quecksliber-Barometer leicht leuchten, wenn sie bewegt werden, erfand Francis Hauksbee 1706 zu Vorführungszwecken eine neuartige Reibungsmaschine. Diese bestand aus einer vakuumierten Glaskugel, in der ein wenig Quecksilber belassen wurde, das anschliessend verdampfte. Im Innern der Kugel entstand während dem "Elektrifizieren" durch Reiben (z.B. mittels Handberührung) ein bläuliches Leuchten.

Elektrisiermaschinen wurden in den Folgejahrzehnten vielfach modifiziert und optimiert. Sie dienten der Grundlagenforschung und der gesellschaftlichen Unterhaltung. Viele Zuschauer deuteten die Ereignisse als magisch oder als Zeugnis göttlichen Einwirkens. Auch bei den Forschern blieb das Warum und Wie noch sehr lange unverstanden.
Die Entdeckung des 1706 elektrisch verursachten Leuchtens wurde erst über 180 Jahre später zur Basis der Entwicklung von Quecksilberdampflampen (1892) und Glimmlampen (ab 1898, z.B. mit Neon, Helium, Argon, Krypton und Xenon).  

1729: nachdem Stephen Gray bei diversen Materialien deren (Weiter-)Leiteigenschaft von "Elektrifiziertem" untersucht hatte, unterschied er zwischen elektrischen Leitern (z.B. Metalle) und  Nichtleitern (Isolatoren, z.B. Bernstein, trockene Luft, trockenes Holz, Seide, Glas, Porzellan, reiner Kohlenstoff, Diamanten, trockene Haut).

Unbekannt scheint zu sein ob festgestellt oder festgehalten wurde, dass tendenziell gute Leiter elektrostatisch schlecht aufladbar und schlechte Leiter elektrostatisch gut aufladbar sind. 

1733 stellte der Naturforscher Charles du Fay fest, dass es zwei entgegengesetzte Formen des "Elektrifizierens" gibt.

• Ungleich elektrifizierte Materialien (z.B. Harz und Glas) ziehen sich leicht an. Bei Berührung "entelektrifizieren" (neutralisieren) sie sich gegenseitig.

• Gleich geladene Materialien (z.B. Harz und Harz) stossen sich leicht ab und bleiben bei gegenseitiger Berührung "elektrifiziert". 
  

Aufgrund der sich unterschiedlich verhaltenden Materialien benannte du Fay die beiden Formen als Harz- und Glaselektrizität.

Schliesslich wurde für die "Elektrifizierung" die Formulierung "Ladung" gebräuchlich. 1751 führte Benjamin Franklin  für die Unterscheidung zwischen "Harz- und Glaselektrizität" die Bezeichnungen "positive und negative Ladung" sowie zur zusätzlichen Vereinfachung die Verwendung von „plus und minus“ ein.

Negativ geladenes Material mit entsprechend mehr negativen Anteilen.

Positiv geladenes Material mit entsprechend mehr positiven Anteilen. 

Elektrostatische Anziehung und Abstossung mit modernen Materialien

1745 erfanden Ewald Georg von Kleist in Pommern und mutmasslich unabhängig davon 1746 Pieter van Musschenbroek in Leiden (NL) einen Ladungsspeicher in Form einer Flasche ("Leidener Flasche", damals auch "Kleistsche Flasche").

Kleist und Musschenbroek hatten versucht, die mit einer Reibungsmaschine erzeugte Elektrizität in einer Flasche zu speichern. Ein Metallstift wurde durch einen isolierenden Korken in diverse Versuchsflüssigkeiten geführt. Dann wurde die Ladung einer Reibungsmaschine über den Metallstift in die Flasche zu führen versucht. Beide Forscher erhielten beim anschliessenden Berühren des Metallstifts einen heftigen Stromschlag. Somit war die Erfindung eines Elektrizitätsspeichers geglückt.

Bald wurde erkannt, dass es nicht die Flasche als Behälter war, die die elektrische Ladung im Innern speicherte. Es war das Glas, das als Isolator verhinderte, dass sich der elektrisch geladene Inhalt der Flasche entlädt. Dem entsprechend brauchte es im Innern der Flasche nicht unbedingt eine Flüssigkeit. Als geeigneter erwiesen sich Metallfolien.

• An der Innenwand der Flasche wurde nun für die Aufladung eine Metallfolie angebracht.
• Der durch den isolierenden Korken nach innen führende Metallstift wurde durch einen Draht oder eine Kette verlängert, so dass er die Metallfolie berührte. 
• Geladen wurde die Flasche durch die Verbindung des Metallstifts mit einer Reibungsmaschine.
• Entladen wurde die Flasche durch einen Kurzschluss. Hierzu diente eine an der Aussenwand angebrachte zweite Metallfolie sowie eine geeignet geformtes Metallstück, versehen mit einem isolierten Haltegriff. Es entstanden Zischgeräusche, Stromschläge und Funken.

Dank dieser Erfindung - eine frühe Bauform eines elektrischen  Kondensators - konnte die erzeugte Reibungselektrizität angehäuft und über Stunden bis Tage gespeichert werden.

Die elektrische Entladung kann bei Leidener Flaschen allerdings grundsätzlich nur schlagartig herbeigeführt werden: die gesamte Ladung entlädt sich in einem einzigen Augenblick. Ein gleichmässiger Stromfluss, wie wir ihn heute kennen und für den Alltagsgebrauch benötigen, war nicht möglich.

Im Zusammenhang mit Entladungen und Stromschlägen war bewusst geworden, dass der menschliche Körper davon betroffen ist, wenn er auf der "Erde" steht. Diese Effekte traten nicht ein, wenn er von der Erde isoliert war, z.B. auf einem isolierenden Material (Isolator) stand.

Da sich einseitige Ladungen (+++ oder ---) abstossen, versuchen sie zu entweichen, Raum zu gewinnen ( +   +   + bzw. -   -   - ). Wird nun ein geladenes Objekt über einen Leiter mit der Erde verbunden, findet mit der Erde so lange ein (sehr rascher) Austausch statt, bis die Ladung ausgeglichen ist.

Die Erde erweist sich als unbegrenzter Absorber für elektrische Ladung.

1744 stellte Andrew Gordon in Phenomena electricitatis exposita eine elektrische Glocke vor, was den Beginn der Nutzung von Elektrizität für Bewegung war. Diese Erfindung wurde als erste elektrostatische Motorik zur Ausgangslage für elektrostatische Motoren.

Gordon erzeugte die hierzu notwendige Elektrizität anfänglich mit einer Reibungsmaschine. Die Leidener Flasche erwies sich als geeigneter: durch die nur kurzen Berührungen (im Fall der Glocke) bzw. durch die kurzen Entladungsstösse durch die Luft (bei kontaktlosen Bewegungsgeräten) konnte sich eine Leidener Flasche nicht schlagartig entladen und die kleinen Maschinen konnten über mehrere Stunden bis tagelang bewegt werden. Mit diesen minimalen Impulsen konnten allerdings nur sehr leichte Gegenstände bewegt werden.

In den Folgejahrzenten entstand vor allem zu Demonstrations- und Unterhaltungszwecken eine Vielzahl von kleinen elektrostatischen Motoren als Tischmodelle, seien es Pendel (analog zu Gordons Glocke) oder drehbare Teile, die wie die Nadel bei Gilberts Versorium reibungsarm und ausbalanciert montiert und durch Plus- und Minuspole in eine rotierende Bewegung gebracht wurden.

Um 1752 wies  Benjamin Franklin (1706-1790), entgegen der damaligen Ansicht vieler, den Zusammenhang zwischen atmosphärischer Elektrizität und Reibungselektrizität nach. Hierzu fanden diverse Versuche statt, um die atmosphärische Ladung und sogar die Ladung von Blitzen in eine Leidener Flasche zu leiten. Franklin erfand in diesem Zusammenhang den funktionstüchtigen Blitzableiter.

In seinem Haus führte er einen Blitzableiter durch das Hausinnere über Gordonsche Glocken. Er stellte fest, dass die Glocken gelegentlich auch bei gutem Wetter läuteten. Damit hatte er einen klaren Nachweis, dass sich Luftschichten reiben und elektrisch aufladen.

Nach Zehntausenden von Jahren metaphysischen Spekulierens und Phantasierens wurde wissenschaftlich die natürliche Entstehung von Blitzen nachgewiesen.

1754 entdeckte John Canton bei unterschiedlichen Materialien eine Ladungsverschiebung bei Annäherung und erklärte diesen Effekt 1758 zeitgleich mit Johan Carl Wilcke.

1762 definierte Wilcke die Grundlagen für den Elektrophor, einen im Vergleich mit der Leidener Flasche vereinfachten und optimierten Ladungsspeicher, bei dem das Prinzip der Ladungsverschiebung genutzt wird.

1775 konstruierte Alessandro Volta auf der Grundlage von diesen Arbeiten einen handlichen Elektrophor und prägte für die Ladungsverschiebung den Begriff Influenz (engl. electrostatic induction).

Die Raffinesse bei der Benutzung des Elektrophors liegt darin, das Material mit der Ladeverschiebung zu erden, während es auf der statisch geladenen Fläche aufliegt.

Leitfähiges Material, das sich mit Reiben nicht laden lässt, kann auf diese Weise statisch geladen werden.  

Im Anschluss daran kann die geladene Platte abgehoben und mittels einer zweiten Erdung entladen werden (Funkensprung).

Die 5 Schritte beim Gebrauch des Elektrophors zeigen nahezu sämtliches, in 175 Jahren entstandenes Wissen bezüglich Elektrizität:

1. Das Laden mittels Reiben (die Harzplatte wird elektrostatisch geladen)
2. Die Ladungsverschiebung (in der aufgelegten leitfähigen Platte verschiebt sich deren Ladung)
3. Das Entladen mittels Erdung (die leitfähige Platte wird entladen)
4. Speicherung von Elektrizität (durch das Trennen der beiden Platten ist die obere Platte nun geladen)
5. Kontaktlose Entladung über Distanz und Funkensprung (die nun geladene leitfähige Platte wird in die Nähe eines mit der Erde verbundenen Metallstabs geführt. Noch vor der Berührung springt die Ladung über und es entstehen Funken.)

Da sich die elektrostatisch geladene Platte dabei nicht entlädt, können die Schritte 2 - 5 beliebig oft wiederholt werden.

Schon bald gab es Elektrophorensets im Taschenformat und Georg Christoph Lichtenberg baute in den anschliessenden Jahren Elektrophore mit bis zu 2,5 m Durchmesser, die Funkenüberschläge bis zu 70 Zentimeter ermöglichten.

1781 beobachtete der Mediziner Luigi Galvani (1737-1798) bei der Verwendung einer Leidener Flasche zufällig Zuckungen an den Schenkeln eines toten Frosches. So wurde bekannt, dass Elektrizität muskuläre Bewegungen auslösen kann. 

Diese Entdeckung führte Galvani zu diversen Experimenten. Er stellte fest, dass Muskeln kontrahierten, wenn sie mit verschiedenen Metallen in Kontakt sind. Ausgehend von Franklins Experimenten versuchte er auch, den Einfluss von atmosphärischen Ladungen festzustellen, bei mit elektrischen Leitern verbundenen Nerven und Muskeln (Bild oben links).

Die Ergebnisse veröffentlichte er 1791. Er ging von einer "tierischen Elektrizität" aus als etwas, was Lebewesen innenwohnt, und das Lebewesen grundsätzlich von anorganischer Materie unterscheidet. Vertreter dieser These wurden in der Folge als "Galvanisten" bezeichnet. Die "Materialisten", u.a. und insbesondere Alessandro Volta, waren der Ansicht, dass die Bewegungen durch Kontakt mit Metallen und nicht durch eine den Muskeln innewohnende Elektrizität verursacht würden.

Galvanis Neffe führte 1803 öffentlich mit Leichen von Hingerichteten  elektrische Experimente mit heftigen Muskelreaktionen durch. Viele Zuschauer waren geschockt und es stellte sich die Frage, ob Leichen oder Leichenteile mittels Elektrizität wieder lebendig gemacht werden können. Dies inspirierte zur Schaffung der Romanfigur Frankenstein (1818).

Mit der Zeit erwies sich Galvanis Interpretation einer tierischen Elektrizität als irrtümlich. Seine Entdeckung blieb unabhängig von seiner technischen Fehlinterpretation Ausgangspunkt für die später entstehende Elektrochemie und Neurowissenschaft.

1800 schichtete Alessandro Volta (1745-1827) Scheiben aus zwei unterschiedlichen Metallen (z.B. Kupfer und Zink) und mit Kochsalz getränkte Kartons aufeinander. Dazu angeregt worden war er durch Galvanis Experimente sowie inspiriert durch die entstehende Wahrnehmung auf der Zunge, wenn sie mit unterschiedlichen sich berührenden Metallen in Kontakt kommt, sowie durch die Anordnung der Schuppen des Zitteraals.

Ein Set aus solchen drei Schichten erhielt den Namen galvanische Zelle. Eine Vielzahl von aufeinandergeschichteten galvanischen Zellen bildet eine Voltasche Säule.

Diese Anordnung führt zu einem kontinuierlichen Stromfluss, der durch die Verbindung und Trennung zwischen dem Plus- und dem Minuspol jederzeit erzeugt und unterbrochen werden kann. Damit war die erste moderne Batterie erfunden, die für viele Jahre als wichtigste Apparatur zur kontinuierlichen Stromerzeugung diente: mittels gespeicherter chemischer Energie und ohne Notwendigkeit einer Elektrizitätserzeugung mittels Reibung.

1800 leiteten William Nicholson und Anthony Carlisle elektrischen Strom durch Wasser und stellten eine chemische Zerlegung in die Grundbestandteile Wasserstoff und Sauerstoff fest. Dies war die Entdeckung der Elektrolyse. 

Mittels Elektrolyse kann z.B. Wasser (H2O) in Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) zerlegt werden. Kommerziell nutzbar wurde Elektrolyse erst 85 Jahre später.

Um 1810 reihte der Chemiker Humphry Davy eine Vielzahl von Voltaschen Säulen mit insgesamt 2000 galvanischen Zellen aneinander. Zwischen zwei mit dem Plus- und dem Minuspol verbundenen Kohlestiften entstand bei deren Annäherung ein hell leuchtender Lichtbogen. Dies war das erste menschgemachte helle elektrische Licht und Grundlage für die Entwicklung der Kohlebogenlampe.

So wie elektrische Funken keine Feuerfunken sind, ist ein elektrischer Lichtbogen keine Feuerflamme: es verbrennt nichts, während die Enden der Kohlestäbe nur langsam verglühen.

Es dauerte noch 70 Jahre, bis elektrisches Licht öffentliche Anwendung und kommerzielle Nutzung fand.

Nach 200 Jahren des Forschens  war zu Beginn des 19. Jhd. bekannt:

1. Aufladbare und leitende Materialien

• Aufladbare Materialien (mittels Reiben), sowie nicht oder kaum aufladbare
• • Unterscheidung zwischen positiv aufladbaren und negativ aufladbaren Materialien
• • gleich geladene Materialien sind abstossend, ungleich geladene sind anziehend.
    wobei diese Kräfte auch ein Vakuum  durchqueren

• Leitende Materialien:
• • gut bis hervorragend leitende: Leiter, in denen sich die Ladung verschieben und isoliert speichern lässt
  • mittelmässig leitende: Halbleiter, z.B. Silicium, α-Zinn
  • (nahezu) nicht leitende: Nichtleiter, Isolatoren
    

2. Elektrische Entladung

• ereignet sich über direkten Kontakt (Berührung) oder berührungslos durch die Luft (je grösser die Ladung, desto grösser die überwindbare Distanz)

• ereignet sich bei entsprechend grossen oder bei geerdeten Körpern schlagartig und es ergeben sich elektrische Stösse und/oder Lichtfunken oder Blitze

3. Elektrischer Strom (eine gleichmässige elektrische Strömung)

• kann mit einer Batterie (Voltaschen Säule) jederzeit erzeugt und unterbrochen werden,

• kann auf eine gewünschte Stromstärke verstärkt werden, mit der Erhöhung der Anzahl Schichten (galvanische Zellen) oder mittels Aneinanderreihen von Batterien,

• hat eine Fliessrichtung und damit eine Polung (Plus- und Minuspol),

• unterliegt grundsätzlich denselben Gesetzen wie eine Entladung, z.B. berührungsloser Übertritt, Funkenbildung und dank anhaltender Strömung Leuchten (Quecksilbergas) oder Lichtbogenbildung (Kohlenbogenlampe) sowie die Möglichkeit von chemischen Veränderungen bei den involvierten Materialien (Elektrolyse).

4. Sowohl elektrische Entladung als auch elektrischer Strom kann in Bewegungsenergie umgewandelt werden und erzeugt bei toten Lebewesen Muskelbewegungen.

------------------ 

Nach beinahe 200 Jahren des Erforschens und Erfindens konnten nun mittels neu zu entwickelnden Geräten Messungen vorgenommen und mathematische Gesetzmässigkeiten festgestellt werden:

• Am Ende des 18. Jahrhunderts fanden und beschrieben Charles Augustin de Coulomb (um 1784), Joseph Priestley, Henry Cavendish und John Robison unabhängig voneinander das Gesetz zur Beschreibung der Kraft zwischen zwei elektrischen Ladungen, das als Coulomb-Gesetz bekannt ist.

• Nachdem dank Batterien gleichmässige elektrische Strömung zur Verfügung stand, fand 1826 Georg Simon Ohm (1789-1854) den grundlegenden Zusammenhang zwischen elektrischer Stromstärke und elektrischer Spannung an linearen* elektrischen Widerständen. Dieser Zusammenhang wird später als ohmsches Gesetz bekannt.

*gleichbleibend, unabhängig von sich verändernden Umständen (Temperatur, Druck, Spannung...)

I = U / R

Einfach formuliert:

- Je weniger Widerstand in der Leitung, desto mehr Strom fliesst.

- Je stärker die Batterie, desto mehr Strom fliesst.

Zudem: je geeigneter das leitende Material (z.B. Kupfer), sowie je grösser der Durchmesser der Leitung und je kürzer der Weg, desto geringer ist der Widerstand.

 rechneronline.de/material/spezifischer-widerstand.php

Weitere Erkenntnisse bezüglich Elektrizität entstanden ab 1820 im Zusammenhang mit der Entdeckung des Elektromagnetismus (Folgekapitel).