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Linear Charge Density

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Überblick

Es ist uns nicht immer bewusst, aber wir begegnen täglich statischer Elektrizität: beim Streicheln einer Katze, Bürsten der Haare oder Anziehen eines Oberteils aus synthetischem Material. Dadurch werden wir zu Generatoren statischer Elektrizität. Wir sind jeden Tag von statischer Elektrizität umgeben, da wir in einem starken elektrostatischen Feld der Erde leben. Dieses Feld besteht, da die Erde wiederum von der oberen Schicht der Atmosphäre, der Ionosphäre, umgeben ist, die Elektrizität leitet. Die Ionosphäre wurde unter dem Einfluss der kosmischen Strahlung gebildet und verfügt über eine eigene Ladung. Beim Ausführen alltäglicher Aktivitäten, wie dem Erwärmen von Nahrung, denken wir nicht unbedingt darüber nach, dass wir statische Elektrizität verwenden, wenn wir beispielsweise einen Gasherd mit einer automatischen Zündung nutzen.

Beispiele statischer Elektrizität

Als Kinder und manchmal auch als Erwachsene haben wir vielleicht Angst vor Donner gehabt. Donner an sich ist harmlos und der „Soundeffekt“ der Natur bei Blitzschlägen, die wiederum ein faszinierendes Schauspiel statischer Elektrizität in der Atmosphäre sind. Es ist einfach ein Instinkt, sich vor Donner zur fürchten, der uns die Gefahren bewusst macht, die von Blitzschlag ausgehen. Blitzschlag ist nicht das einzige derartige Phänomen, das sowohl Angst als auch Faszination auslöst. In der Vergangenheit, als Segelboote noch üblich waren, bewunderten Matrosen das Elmsfeuer am Masten der Boote, das von der statischen Elektrizität in der Atmosphäre verursacht wurde. Elektrizität spielt auch eine Rolle in der Mythologie. Menschen verbanden Blitzschläge mit den alten Göttern: dem griechischen Zeus, römischen Jupiter, skandinavischen Thor oder slawischen Perun.

Menschen hegten für viele Jahrhunderte eine Faszination gegenüber Elektrizität und wir realisieren häufig nicht, dass die Wissenschaftler, die statische Elektrizität erforschten und viele nützliche Schlüsse über ihre Eigenschaften zogen, uns vor den Schrecken von Feuern und Explosionen schützten. Wir haben statische Elektrizität durch Einsatz von Blitzableitern für unsere Gebäude und Erdungsgeräte für die Sicherheit von Benzinlastern gezähmt. Trotzdem stört statische Elektrizität bisweilen unser tägliches Leben, zum Beispiel, wenn sie Interferenzen bei Funksignalen erzeugt. Das ist jedoch nicht überraschend: Zu jedem Zeitpunkt gibt es bis zu 2000 Gewitter, bei denen bis zu 50 Blitze pro Sekunde auftreten.

Menschen untersuchen statische Elektrizität seit dem Altertum. Selbst das Wort „Elektron“ stammt aus dem Altgriechischen, auch wenn es damals nicht die heutige Bedeutung hatte. Es bedeutete Bernstein (altgriech. ἤλεκτρον), ein Material, das sich bei Reiben sehr gut auflädt. Die Erforschung statischer Elektrizität barg jedoch Gefahren. Bei der Durchführung von Experimenten wurde beispielsweise Georg Wilhelm Richmann, ein russischer Wissenschaftler, durch das gefährlichste Phänomen der statischen Elektrizität, dem Blitzschlag, getötet.

Statische Elektrizität und das Wetter

Allgemein gesprochen ist der Mechanismus, anhand dessen eine Gewitterwolke eine elektrische Ladung ansammelt, ähnlich dem Elektrifizierungsprozess beim Haarebürsten: Die Aufladung erfolgt in beiden Fällen durch Reibung. Aus Wassertropfen bilden sich durch Bewegung aus den unteren, wärmeren Schichten der Luft zu den oberen, kälteren Schichten Eispartikel. Diese Eispartikel stoßen aneinander. Größere Teilchen laden sich negativ auf, die kleineren positiv. Der Gewichtsunterschied der Eispartikel verursacht die Bewegung der Partikel in der Wolke, die schwereren sammeln sich unten, die leichteren oben. Diese Bewegung wird Aufwind genannt. Obwohl die Wolke als Ganzes eine neutrale Ladung aufweist, ist die Unterseite negativ und die Oberseite positiv geladen.

Ähnlich wie eine elektrisch aufgeladene Haarbürste einen Ballon anzieht, weil die elektrische Ladung sich auf der Seite konzentriert, die näher an der Bürste ist, so ist es mit der Gewitterwolke, die eine positive Ladung an der Oberfläche der Erde erzeugt. Während die Wolke sich zu einem Sturm entwickelt, erhöhen sich die elektrische Ladung und die Felddichte. Wenn diese Dichte bei den gegebenen Wetterbedingungen einen kritischen Punkt erreicht, kommt es zu einer elektrostatischen Entladung und Blitze werden erzeugt.

Die Menschheit verdankt die Erfindung des Blitzableiters Benjamin Franklin, einem Wissenschaftler, der später Präsident von Pennsylvania und der erste Postminister der USA war. Seit dieser Erfindung ist die Anzahl Feuer, die durch Blitzschlag in Gebäuden hervorgerufen wurden, fast vollständig zurückgegangen. Franklin entschied, kein Patent auf diese Erfindung anzumelden, sodass sie für alle Menschen verfügbar ist.

Manchmal sind Blitze auch nützlich. Beispielsweise haben früher Spezialisten für Eisen- und Kupfergewinnung, die in den Ural-Minen in Russland arbeiteten, an der Häufigkeit von Blitzentladungen in einem bestimmten Gebiet die Vorkommen dieser Erze festgestellt.

Von den Wissenschaftlern, die elektrostatische Phänomene untersuchten, sollten der britische Physiker Michael Faraday, der Vorreiter der Elektrodynamik, sowie der niederländische Wissenschaftler Pieter van Musschenbroek, dem Erfinder des Prototyps eines Kondensators, die berühmte Leidener Flasche, erwähnt werden.

Wenn man sich Autorennen wie die Deutschen Tourenwagen Masters (DTM), IndyCar oder Formel 1 ansieht, denkt man häufig nicht daran, dass Mechaniker die Reifen danach wählen, welche Informationen örtliche Wetterradare haben. Diese Daten basieren wiederum auf die elektrischen Merkmale der Wolken über dem Gebiet.

Statische Elektrizität ist sowohl unser Freund wie auch unser Feind. Elektroingenieure müssen sie herum arbeiten. Blitzschlag kann Schalttafeln in der Nähe des Einschlags schädigen, in der Regel sind es die Energiezufuhrelemente, die dann beeinträchtigt sind. Ingenieure müssen Erdungsvorrichtungen verwenden, wenn sie die Schaltplatten reparieren. Wenn eine Erdungsvorrichtung nicht wie erwartet funktioniert, kann dies ernsthafte Unfälle und sogar Katastrophen mit zahlreichen Opfern aufgrund von Feuern und Explosionen verursachen.

Statische Elektrizität in der Medizin

Trotz der zahlreichen Probleme, die statische Elektrizität verursacht, kann sie Menschen mit lebensbedrohlichem Herzkammerflimmern, bei dem es zu unregelmäßigen Kontraktionen des Herzmuskels kommt, helfen. Das Herz kann dann aufgrund der geringen elektrostatischen Ladung wieder normal funktionieren. Dies wird durch ein Gerät, dem Defibrillator, erreicht. Das Gerät kann nicht zur Wiederbelebung genutzt werden, sondern behebt nur die Rhythmusstörung zusammen mit anderen Therapiemethoden. Filmszenen, in denen ein Patient mithilfe eines Defibrillators wiederbelebt wird, sind klassisch in bestimmten Genres. Die Filme machen häufig den Fehler, die Wiederbelebung eines Patienten ohne Herzschlag (zum Beispiel durch die gerade Linie auf einem Herzmonitor dargestellt) anhand eines Defibrillators zu zeigen. Das ist eine falsche Darstellung: Der Defibrillator kann ein Herz nicht wieder „in Gang setzen“.

Andere Beispiele

Die separaten Komponenten von Flugzeugen müssen durch Verbindungsstreifen verbunden werden, um sie vor statischer Elektrizität zu schützen. Alle Metallteile, einschließlich des Motors, werden miteinander verbunden, um eine elektrisch ganzheitliche Struktur zu erhalten. Alle Endkanten von Tragflächen, Klappen, Querrudern, Höhenleitwerk und -ruder sind mit statischen Ableitern ausgestattet, um sicherzustellen, dass die statische Elektrizität, die aufgrund der Reibung zwischen dem Flugzeug und der Luft entsteht, in die Luft entladen wird. Dadurch werden Störungen durch die statische Elektrizität bei den Geräten an Bord vermindert.

Experimente mit der Elektrostatik gehören zu den aufregendsten des Abschnitts über elektrische Energie im Physikunterricht: Da geht es um aufgestellte Haare, Ballons, die Haarbürsten verfolgen, mysteriös leuchtend fluoreszierende Lichter ohne Stromquelle und mehr! Dieses Leuchten rettet beispielsweise Elektrikern, die an Hochspannungskabeln und Stromverteilern arbeiten, das Leben.

Das wichtigste an der statischen Elektrizität ist seine Funktion für das Leben auf der Erde. Wissenschaftler glauben, dass das Leben auf der Erde, wie wir essen kennen, aufgrund der Elektrostatik möglich wurde. Frühe Experimente Mitte des 20. Jahrhunderts zeigten, dass eine elektrische Ladung durch eine Mischung von Gasen, wie sie etwa in der Erdatmosphäre vorhanden war, als Leben entstand, eine Aminosäure erzeugt, die einer der Bausteine des Lebens ist.

Um statische Elektrizität zu regulieren, muss man den Unterschied zwischen den Potenzialen bzw. der elektrischen Spannung kennen. Zu diesem Zweck wurden Geräte wie Spannungsmesser entwickelt. Die Idee der elektrischen Spannung wurde von dem italienischen Wissenschaftler Alessandro Volta im 19. Jahrhundert eingeführt. Die Einheit „Volt“, mit der die Spannung angegeben wird, wurde nach ihm benannt. Vor der Entwicklung von Spannungsmessgeräten wurden unterschiedliche Geräte, Galvanometer, zur Messung der elektrischen Spannung genutzt. Der Begriff „Galvanometer“ stammt vom Nachnamen eines anderen italienischen Wissenschaftlers, Luigi Galvani. Leider verzerrte der Messmechanismus eines elektrodynamischen Systems, das in Galvanometern verwendet wurde, die Messwerte.

Die Wissenschaft statischer Elektrizität

Man glaubt, dass die systematische Erforschung der Elektrostatik im 18. Jahrhundert ihren Anfang mit der Arbeit des französischen Wissenschaftlers Charles-Augustin de Coulomb nahm. Insbesondere war er derjenige, der die Idee der elektrischen Ladung einführte und das Gesetz formulierte, wodurch die Wechselwirkung zwischen elektrischen Ladungen beschrieben wurde. Die Einheit, die die Menge Elektrizität bzw. die elektrische Ladung quantifiziert, wurde nach ihm Coulomb (C) genannt. Fairerweise sollte erwähnt werden, dass der britische Wissenschaftler Henry Cavendish vor Coulomb an ähnlichen Themen forschte, aber seine Aufzeichnungen erst nach seinem Tode etwa 100 Jahre später von seinen Erben veröffentlicht wurden.

Frühere Arbeiten zur Elektrizität ermöglichten den Physikern George Green, Carl Friedrich Gauß und Siméon Denis Poisson, ein elegantes mathematisches Modell für Elektrizität zu schaffen. Das Modell wird heute noch verwendet. Es basiert auf dem Konzept eines Elektrons, das ein subatomares Teilchen ist. Jedes Atom enthält Elektronen und sie können leicht von der atomaren Struktur getrennt werden, wenn man externe Kräfte anlegt. Das Prinzip der Abstoßung ähnlich geladener Teilchen und die Gesetze der Anziehung mit gegensätzlicher Ladung sind ebenfalls grundlegend für unser Verständnis der Elektrizität.

Messen elektrischer Werte

Eines der ersten Geräte zur Quantifizierung der Elektrizität wurde von englischer Pfarrer und Erfinder Abraham Bennet entwickelt. Es bestand aus zwei Stücken Goldfolie in einem Glasbehälter. Seitdem haben sich Messgeräte erheblich verbessert und sie können heute Einheiten messen, die so klein sind wie Nanocoulombs (nC). Mithilfe sehr genauer Messgeräte konnten die Physiker Abram Ioffe (Russland) und Robert Andrews Millikan (USA) die elektrische Ladung eines Elektrons messen.

Mit der Entwicklung digitaler Technologien wurden sehr sensible Messgeräte gebaut. Sie verfügen über einzigartige Eigenschaften, durch die sie mit minimalen und fast nicht erkennbaren Verzerrungen arbeiten. Dies ist aufgrund ihres hohen Eingangswiderstands möglich. Neben dem Messen der Spannung können diese Geräte andere wichtige Merkmale mit großer Messbandbreite wie dem Ohmschen Widerstand und dem Fluss elektrischen Stroms messen. Die fortschrittlichsten Geräte werden wegen der Bandbreite an Funktionalitäten Vielfachmessgeräte und -tester genannt. Sie messen auch die Frequenz von Wechselstrom und die Kapazität von Kondensatoren. Darüber hinaus können Transistoren getestet und die Temperatur gemessen werden.

Im Allgemeinen verfügen moderne Geräte über Sicherheitsvorrichtungen, die einen Schaden bei unsachgemäßer Nutzung verhindern. Sie sind klein und bedienerfreundlich. Und sie sind sicher. Die Sicherheit wird unter schweren Arbeitsbedingungen mit vielen Tests gewährleistet. Sie werden auch auf Genauigkeit geprüft. Am Ende erhält das Gerät ein Zertifikat, das die Sicherheit und Genauigkeit bestätigt.

Weitere Informationen

Dieser Artikel wurde von Sergey Akishkin verfasst.

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Die Elektrotechnik ist ein Bereich der Technik, der sich mit der Lehre und Anwendung von Elektrizität, Elektronik und Elektromagnetismus befasst. Zugehörige Themen sind Leistung, Elektronik, Steuerungssysteme, Signalverarbeitung und Telekommunikation.

Elektrische Ladung

Die elektrische Ladung ist eine grundlegende Erhaltungsgröße einiger subatomarer Teilchen, die ihre elektromagnetische Wechselwirkung bestimmt. Elektrisch geladene Materie wird von elektromagnetischen Feldern beeinflusst und erzeugt diese. Die Interaktion zwischen einer sich bewegenden Ladung und einem elektromagnetischen Feld ist die Quelle der elektromagnetischen Kraft.

Im internationalen System der Einheiten (Système International d’Unités, SI) lautet die Einheit für die elektrische Ladung Coulomb (С) und entspricht etwa 6,242×10¹⁸·e (e ist die Ladung eines Protons). Daher beträgt die Ladung eines Elektrons etwa −1,602×10^–19 C. Diese Ladung wird Elementarladung genannt. Das Coulomb wird als die Menge Ladung definiert, die durch einen Querschnitt eines elektrischen Leiters geflossen ist, der ein Ampere in einer Sekunde leitet.

Den Umrechner für Elektrische Ladung nutzen:

Dieses Online-Tool zur Umrechnung von Einheiten ermöglicht die schnelle und genaue Umrechnung vieler Messeinheiten von einem System zu einem anderen. Die Seite für die Einheitenumrechnung ist eine Lösung für Techniker, Übersetzer und alle, die mit Mengen arbeiten, die in unterschiedlichen Einheiten angegeben werden können.

Sie können dieses Online-Tool zur Umrechnung verwenden, um zwischen mehreren Hundert Einheiten (einschließlich metrischer, britischer und amerikanischer) in 76 Kategorien oder mehreren Tausend Paaren umzurechnen. Beispiele der Kategorien sind Beschleunigung, Fläche, Elektrizität, Energie, Kraft, Länge, Licht, Masse, Massenfluss, Dichte, spezifisches Volumen, Leistung, Druck, Belastung, Temperatur, Zeit, Drehkraft, Geschwindigkeit, Viskosität, Volumen und Kapazität und Volumenstrom.
Hinweis: Ganzzahlen (Zahlen ohne Dezimalzeichen oder Exponentennotation) werden bis zu 15 Ziffern als genau erachtet. Die maximale Anzahl Ziffern nach dem Dezimalzeichen ist 10 Ziffern.

Bei diesem Umrechner wird die E-Notation verwendet, um Zahlen darzustellen, die zu klein oder zu groß sind. Die E-Notation ist ein alternatives Format der wissenschaftlichen Notation a · 10^x. Zum Beispiel: 1.103.000 = 1,103 · 10⁶ = 1,103E+6. Hier stellt E (gleich Exponent) “· 10^” dar, das heißt “multipliziert mit zehn potenziert mit”. Die E-Notation wird häufig bei Taschenrechnern und von Wissenschaftlern, Mathematikern und Ingenieuren verwendet.

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