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Elektrizität (von altgriechisch ἤλεκτρον ēlektron, deutsch ‚Bernstein‘) ist der physikalische Oberbegriff für alle Phänomene, die ihre Ursache in ruhender oder bewegter elektrischer Ladung haben. Dies umfasst viele aus dem Alltag bekannte Phänomene wie Blitze oder die Kraftwirkung des Magnetismus. Der Begriff der Elektrizität ist in der Naturwissenschaft nicht streng abgegrenzt, es werden aber bestimmte Eigenschaften zum Kernbereich der Elektrizität gezählt: ##Die elektrische Ladung. Sie ist eine Eigenschaft bestimmter atomarer Teilchen wie der negativ geladenen Elektronen und der positiv geladenen Protonen, die als Ladungsträger bezeichnet werden, und wird in der Einheit Coulomb gemessen. Die Bezeichnung positiv bzw. negativ ist willkürlich gewählt. Wesentliche Eigenschaft ist, dass sich gleichnamige elektrische Ladungen abstoßen, während sich ungleiche Ladungen anziehen. ##Der elektrische Strom. Er beschreibt eine Bewegung von elektrischen Ladungsträgern, wird in der Einheit Ampere gemessen und ist unter anderem Ursache von magnetischen Feldern. Durch beschleunigte Bewegung elektrischer Ladungen werden elektromagnetische Felder erzeugt, die im Bereich der Elektrodynamik beschrieben werden und sich unabhängig von elektrischen Leitern im Raum ausbreiten können. ##Das elektrische Feld beschreibt die von elektrischen Ladungen hervorgerufenen Zustandsgrößen des Raumes, die man als elektrische Feldstärke und elektrisches Potential bezeichnet. Die als Potentialdifferenz definierte elektrische Spannung wird üblicherweise in der Einheit Volt gemessen. Vorgänge, bei denen keine zeitliche oder keine wesentliche zeitliche Änderung auftritt, werden der Elektrostatik zugeordnet. Vorgänge, bei denen die zeitliche Änderung einen wesentlichen Einfluss hat, werden zur Elektrodynamik gezählt. Die Elektrizität ist ein Teilgebiet des Elektromagnetismus. Die zugrundeliegende Grundkraft heißt elektromagnetische Wechselwirkung.[1]
Als Elektrizität (elektron „Bernstein“) bezeichne ich eine Menge von Phänomenen, die ich mittels elektrischer Ladungen erkläre. Typische Beispiele sind Blitze in der Natur und dass ich allerlei Geräte betreiben kann, wenn ich sie mit der Steckdose verbinde.
Stoney und Helmholtz prägten den Begriff des Elektrons als Träger des elektrischen Stromes. Hier muss ich noch zwischen Physik und Technik unterscheiden Dynak (Lehre)
Geschichte
Geschichte, bedeutende Entwicklungen und Personen https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrotechnik#Geschichte,_bedeutende_Entwicklungen_und_Personen
Altertum Das Phänomen, dass bestimmte Fischarten (wie beispielsweise Zitterrochen oder Zitteraale) elektrische Spannungen erzeugen können (mit Hilfe des Elektroplax), war im alten Ägypten um 2750 v. Chr. bekannt.
Die meteorologische Erscheinung der Gewitterblitze begleitet die Menschheit schon immer. Die Deutung, dass die Trennung elektrischer Ladungen innerhalb der Atmosphäre in Gewittern dieses Phänomen verursacht, erfolgte jedoch erst in der Neuzeit. Elektrostatische Phänomene waren allerdings schon im Altertum bekannt. Die erste Kenntnis über den Effekt der Reibungselektrizität etwa 550 v. Chr. wird dem Naturphilosophen Thales von Milet zugeschrieben. In trockener Umgebung kann Bernstein durch Reiben an textilem Gewebe (Baumwolle, Seide) oder Wolle elektrostatisch aufgeladen werden. Was zu jener Zeit aber noch nicht bekannt war, ist, dass durch Aufnahme von Elektronen Bernstein eine negative Ladung erhält, das Reibmaterial durch Abgabe von Elektronen dagegen eine positive Ladung. Durch die Naturalis historia von Plinius dem Älteren wurde das durch diese Experimente beobachtete Wissen bis ins Spätmittelalter überliefert. ========
https://de.wikipedia.org/wiki/Elektrische_Ladung#Geschichte William Gilbert setzte die Arbeiten von Petrus Peregrinus aus dem 13. Jahrhundert fort und fand heraus, dass auch andere Stoffe durch Reibung elektrisiert werden können und entwickelte das Versorium, eine frühe Bauform eines Elektroskops.[1] Er führte in seinem 1600 erschienenen Buch De Magnete, Magnetisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (deutsch etwa: Über den Magneten, Magnetische Körper und den großen Magneten Erde) den dem Neulateinischen entlehnten Begriff „electrica“ für die Erscheinungen ein, die er im Zusammenhang mit dem Bernstein entdeckte, „elektron“ stammt vom griechischen Wort für Bernstein.[2] =======
1600 erfand der Naturforscher William Gilbert mit dem elektrischen Pfeil, das Versorium, die erste Version eines Elektroskops, mit dessen Hilfe er die Anziehungskraft des Bernsteins maß, und unterschied im zweiten Kapitel des zweiten Buchs seines erschienenen Werks über den Magneten[1] zwischen dem Magnetismus und der Reibungselektrizität („Differentia inter magnerica & electrica“). Gilbert verwendete somit als Erster den Begriff Elektrizität, den er aus dem altgriechischen Wort für Bernstein (ἤλεκτρον; transkribiert: ḗlektron; übersetzt: Hellgold) abgeleitet hatte.
1663 erfand Otto von Guericke die erste Elektrisiermaschine, eine Schwefelkugel mit einer Drehachse, die Elektrizität durch von Hand bewirkte Reibung erzeugte. Diese Maschine erzeugt hohe Spannungen. 1671 produzierte Gottfried Wilhelm von Leibniz elektrische Funkenentladungen mit dem Otto von Guericke Generator und einer Funkenstrecke. Publiziert wurde die Erfindung allerdings erst 1673.
1729 teilte Stephen Gray als Erster mehrere Stoffe in elektrische Leiter und Nichtleiter ein. 1732 schaffte Gray die Leitung elektrischer Ladung über ungefähr 150 Meter durch ein Hanfseil, das mit Seidenfäden umwickelt war, in einem ähnlichen Versuch später schickte er Elektrizität durch Metalldrähte.[3] 1752 erfand Benjamin Franklin den Blitzableiter 1763 baute der Physiker Andrew Gordon ein durch eine leidener Flasche elektrisch geladenen horizontal drehenden Metallstern welcher sich bei Entladung dreht.[5] Er gilt somit in einigen Kreisen allgemein als Erfinder des elektrischen Motors. 1792 unternahm Luigi Galvani sein legendäres Froschschenkel-Experiment baute Alessandro Volta um 1800 die so genannte Voltasche Säule, die erste funktionierende Batterie,
1820 nach, dass zwei stromdurchflossene Leiter eine Kraft aufeinander ausüben. Ampère erklärte den Begriff der elektrischen Spannung und des elektrischen Stromes und legte die Stromrichtung fest
1821 Michael Faraday
1826 konnte der Physiker Georg Simon Ohm
1831 entdeckten, erforschten und veröffentlichten Joseph Henry und Michael Faraday unabhängig voneinander die elektromagnetische Induktion
1832 erfand Antoine-Hippolyte Pixii den Wechselstromgenerator
1833 erfand Carl Friedrich Gauß und Wilhelm Eduard Weber zusammen das Relais
Im Mai 1834 entwickelte Moritz Jacobi den ersten rotierenden Elektromotor mit Gleichstrom, der tatsächlich eine bemerkenswerte und brauchbare mechanische Leistung abgab.[14] Er war somit in der Lage das weltweit erste Elektroboot (Das Jacobi-Boot) zu bauen, welches er 1838 mit einer Fahrt auf der Newa in Sankt Petersburg demonstrierte (Mit 0,3 kW 7,5 km 2,5 km/h). 1839 konnte er die mechanische Leistung seines Motors auf 1 kW erhöhten und erreichte mit dem Boot dann Geschwindigkeiten von bis zu 4 km/h.[20]
1840 baute Samuel F. B. Morse und seine Mitarbeiter einen deutlich verbesserten elektrischen Telegraph mit seinem erfundenen Morsecode, dies revolutionierte die telegrafische Übermittlung.
1860 erfanden Antonio Meucci und Philipp Reis das elektrische Telefon
1861 erfand Ányos István Jedlik den Gleichstromgenerator, assoziiert mit Begriff Dynamo
Zu den Wegbereitern der „Starkstromtechnik“ gehörte Werner Siemens (ab 1888 von Siemens), der 1866 mittels des dynamoelektrischen Prinzips die ersten leistungsstarken elektrische Gleichstromgeneratoren für industrielle Zwecke entwickelte und industriell herstellen ließ. Elektrische Energie war somit erstmals in nennenswert nutzbarer Menge verfügbar. Nach ihm wurde die abgeleitete SI-Einheit für den elektrischen Leitwert benannt.
1879 erfand Thomas Alva Edison mit der Kohlefadenglühlampe
1879 entdeckte William Crookes dass Kathodenstrahlen aus Teilchen bestehen.
1879 wurde von Siemens & Halske die erste öffentliche elektrische Bahn der Welt in Betrieb genommen. 3 PS, 150 VDC, 6.5 km/Std auf der Berliner Gewerbeausstellung.[30]
Am 12. Oktober 1887 meldete Nikola Tesla einen zweiphasigen Synchron-Wechselstrommotor zum Patent
Ende 1896 wird die erste US-amerikanische elektrische Energieübertragung mittels Hochspannungsfernleitung eingeweiht
1896 führte Alexander Popow eine drahtlose Signalübertragung über eine Entfernung von 250 m durch. Im Gegensatz zu Marconi verabsäumte Popow aber die Patentierung seiner Erfindung. Das Verdienst der ersten praktischen Nutzung der Funken-Telegrafie stand somit Guglielmo Marconi zu
Das Elektron wurde 1897 von Joseph John Thomson als Elementarteilchen erstmals nachgewiesen (er nannte es erst corpuscule). Er gab dann der Elementarladung später den Namen Elektron. 1906 erhielt er dafür den Nobelpreis für Physik.
1897 entwickelte Karl Ferdinand Braun die erste Kathodenstrahlröhre. Verbesserte Varianten kamen zunächst in Oszilloskopen und Jahrzehnte später als Bildröhren in vollelektronischen Fernsehgeräten und Computermonitoren zum Einsatz.
1911 entwickelte Elmer Sperry den weltweit ersten praktischen PID-Regler, 1922 leitete dann der Elektroingenieur Nicolas Minorsky die korrekte mathematische Formulierung des PID-Reglers her.[43] Dies war ein bedeutender Fortschritt für die Regelungstechnik.
Im Oktober 1926 reicht Julius E. Lilienfeld ein gültiges Patent ein (US1745175A Method and apparatus for controlling electric currents[47]) seines erfundenen Feldeffekttransistor, diese konnten aber erst ab 1960 gefertigt werden
1927 begann die Entwicklung des FM-Radios im Bereich des Hörfunks
1941 stellte der Ingenieur Konrad Zuse den weltweit ersten funktionsfähigen Computer, den Z3, fertig, es war der erste elektromechanische Computer. Im Jahr 1946 folgt der ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) von John Presper Eckert und John Mauchly, der erste vollelektronische und frei programmierbare Computer. Die erste Phase des Computerzeitalters begann
Ein wesentlicher Schritt nach der Erfindung des Bipolartransistors war die Entwicklung der Mikroelektronik in 1957. Jack Kilby realisierte und patentierte erstmals eine elektrische Schaltung aus einem Transistor und mehren Widerständen und Kondensatoren auf einem Germanium-Kristall, einem (hybriden) integrierten Schaltkreis (IC).
============ zu Faraday ===== Elektrodynamik (Weitergeleitet von Elektrizitätslehre) ===== Sein zweiteiliger Historical Sketch of Electro-Magnetism erschien, auf seinen Wunsch anonym, im September und Oktober 1821 in den Annals of Philosophy.[25] Am 3. September[26] gelang Faraday zum ersten Mal ein Experiment, bei dem sich ein stromdurchflossener Leiter unter dem Einfluss eines Dauermagneten um seine eigene Achse drehte. Noch im gleichen Monat veröffentlichte er seine Entdeckung im Quarterly Journal of Science.[27] Die sogenannte „elektromagnetische Rotation“ war eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung des Elektromotors
Untersuchungen über Elektrizität (1831 bis 1838)[Bearbeiten] Elektromagnetische Induktion[Bearbeiten] Bereits 1822 merkte Faraday in seinem Notizbuch an: „Convert magnetism into electricity“ („Magnetismus in Elektrizität umwandeln“).[24] In dem im September 1820 begonnenen Labortagebuch notierte er am 28. Dezember 1824 erstmals ein Experiment, mit dem er versuchte, mit Hilfe von Magnetismus Elektrizität zu erzeugen. Der erwartete elektrische Strom blieb jedoch aus.[39] Am 28. und 29. November 1825 sowie am 22. April 1826 führte er weitere Versuche durch, ohne jedoch das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Nach einer durch die aufwändigen Glasuntersuchungen bedingten fünfjährigen Pause wandte sich Faraday am 29. August 1831 erstmals wieder elektromagnetischen Experimenten zu. Er hatte von seinem Assistenten Anderson einen Weicheisenring mit einem Innendurchmesser von sechs Zoll (etwa 15 Zentimeter) anfertigen lassen. Auf der einen Seite des Ringes brachte er drei Wicklungen aus Kupferdraht an, die durch Bindfaden und Kattun voneinander isoliert waren. Auf der anderen Seite des Ringes befanden sich zwei solcher Wicklungen. Er verlängerte auf der einen Seite die beiden Enden einer der Wicklungen mit einem langen Kupferdraht, der zu einer etwa drei Fuß (etwa ein Meter) entfernten Magnetnadel führte. Eine der Wicklungen auf der anderen Seite verband er mit den Polen einer Batterie. Jedes Mal, wenn er den Stromkreis schloss, bewegte sich die Magnetnadel aus ihrer Ruhelage. Beim Öffnen des Stromkreises bewegte sich die Nadel erneut, nur diesmal in die entgegengesetzte Richtung. Faraday hatte die elektromagnetische Induktion entdeckt und dabei ein Prinzip angewandt, das den später entwickelten Transformatoren zugrunde liegt. Seine Experimente, die bis zum 4. November andauerten, unterbrach er für einen dreiwöchigen Ferienaufenthalt mit seiner Frau in Hastings und eine vierzehntägige Untersuchung für die Royal Mint. Während seiner an nur elf Tagen[40] durchgeführten Experimente fand er heraus, dass ein zylindrischer Stabmagnet, der durch eine Drahtwendel bewegt wurde, eine elektrische Spannung in dieser induzierte. Nach diesem Grundprinzip arbeiten elektrische Generatoren.[41][42][43][44] Faradays Bericht über die Entdeckung der elektromagnetischen Induktion[45] wurde von ihm Ende 1831 vor der Royal Society vorgetragen. Die in den Philosophical Transactions abgedruckte Form erschien erst im Mai 1832. Die lange Verzögerung ergab sich aus einer Änderung der Veröffentlichungsbedingungen für neue Artikel. Bis Ende 1831 reichte ein Mehrheitsbeschluss des Committee of Papers zur Veröffentlichung eines Artikels in den Philosophical Transactions. Die geänderten Regeln sahen eine individuelle Begutachtung der Artikel vor. Das Gutachten zu Faradays Artikel schrieben der Mathematiker Samuel Hunter Christie und der Mediziner John Bostock (1773–1846).[46] Im Dezember 1831 schrieb Faraday an seinen langjährigen französischen Briefpartner Jean Nicolas Pierre Hachette und teilte ihm darin seine jüngsten Entdeckungen mit. Hachette zeigte den Brief dem Sekretär des Institut de France, François Arago, der das Schreiben am 26. Dezember 1831 vor den Mitgliedern des Instituts verlas. In den französischen Zeitungen Le Temps und Le Lycée erschienen am 28. bzw. 29. Dezember 1831 Berichte über Faradays Entdeckung. Der Londoner Morning Advertiser druckte diese am 6. Januar 1832 nach. Die Presseberichte bedrohten die Priorität seiner Entdeckung, da die Italiener Leopoldo Nobili und Vincenzo Antinori (1792–1865) in Florenz einige Versuche Faradays wiederholt hatten und ihre in der Zeitschrift Antologia[47] veröffentlichten Ergebnisse vor Faradays Aufsatz in den Philosophical Transactions erschienen.[48]
Einheitlichkeit der Elektrizität[Bearbeiten] Nach seiner Entdeckung, dass Magnetismus Elektrizität zu erzeugen vermag, stellte sich Faraday die Aufgabe nachzuweisen, dass unabhängig davon, wie Elektrizität erzeugt wird, diese immer gleichartig wirkt. Am 25. August 1832 begann er mit den bekannten Elektrizitätsquellen zu arbeiten. Er verglich die Wirkungen von voltaischer Elektrizität, Reibungselektrizität, Thermoelektrizität, tierischer Elektrizität und magnetischer Elektrizität. In seinem am 10. und 17. Januar[49] verlesenen Beitrag gelangte er aufgrund seiner Experimente zum Schluss, „…daß die Elektricität, aus welcher Quelle sie auch entsprungen sey, identisch ist in ihrer Natur“.[50]
Grundgesetze der Elektrolyse[Bearbeiten] → Hauptartikel: Geschichte der Elektrolyse Ende Dezember 1832 stellte sich Faraday die Frage, ob ein elektrischer Strom in der Lage wäre, einen festen Körper – beispielsweise Eis – zu zersetzen. Bei seinen Experimenten stellte er fest, dass sich Eis im Gegensatz zu Wasser wie ein Nichtleiter verhielt. Er testete eine Reihe von Substanzen mit niedrigem Schmelzpunkt und beobachtete, dass ein nichtleitender fester Körper nach dem Übergang in die flüssige Phase den Strom leitete und sich unter dem Einfluss des Stromes chemisch zersetzte. Am 23. Mai 1833 sprach er vor der Royal Society Über ein neues Gesetz der Elektrizitätsleitung.[51] Diese Untersuchungen führten Faraday direkt zu seinen Experimenten über die „elektro-chemische Zersetzung“, die ihn ein Jahr lang beschäftigten. Er sichtete die vorhandenen Ansichten, insbesondere die von Theodor Grotthuß und Davy, und kam zu der Auffassung, dass die Zersetzung im Inneren der Flüssigkeit vor sich ging und die elektrischen Pole nur die Rolle einer Begrenzung der Flüssigkeit spielten. Unzufrieden mit den ihm für die Beschreibung der chemischen Zersetzung unter dem Einfluss eines elektrischen Stromes zur Verfügung stehenden Begriffen, wandte sich Faraday Anfang 1834 an William Whewell und diskutierte darüber auch mit seinem Arzt Whitlock Nicholl. Letzterer schlug Faraday vor, zur Beschreibung des Vorgangs der elektrochemischen Zersetzung die Begriffe Elektrode für die Ein- und Austrittsflächen des Stromes, Elektrolyse für den Vorgang selbst und Elektrolyt für die betroffene Substanz zu verwenden. Whewell, der die polare Natur des Vorganges kenntlicher machen wollte, prägte für die beiden Elektroden die Termini Anode und Kathode sowie für die betroffenen Teilchen die Begriffe Anion, Kation und Ion.[52] Zu Beginn der siebenten Folge seiner Experimental Researches in Electricity, die er am 9. Januar 1834 der Royal Society vorlegte,[53] schlug Faraday die neuen Begriffe zur Beschreibung des Vorgangs der elektrochemischen Zersetzung (Elektrolyse) vor. In diesem Artikel formulierte er die beiden Grundgesetze der Elektrolyse: 1.„Die chemische Kraft eines elektrischen Stroms ist direct proportional der absoluten Menge von durchgegangener Elektricität.“ 2.„Die elektro-chemischen Aequivalente sind den gewöhnlichen chemischen gleich.“[54] Mit seinen Untersuchungen schloss Faraday den Einfluss von Faktoren, wie beispielsweise der Konzentration der elektrolytischen Lösung oder der Beschaffenheit und Größe der Elektroden, auf den Vorgang der Elektrolyse aus. Nur die Elektrizitätsmenge und die beteiligten chemischen Äquivalente waren von Bedeutung. Es war der Nachweis, dass chemische und elektrische Kräfte eng miteinander verbunden waren und quantitativ zusammenhingen. Diesen Zusammenhang nutzte Faraday bei seinen weiteren Experimenten zur genauen Messung der Elektrizitätsmenge.[55][56][57]
Elektrostatische Abschirmung[Bearbeiten] Animation zur Reaktion eines Faradayschen Käfigs auf ein äußeres elektrisches Feld; Darstellung der Ladungsverschiebung (Schema) Mitte Januar 1836 baute Faraday im Hörsaal der Royal Institution einen Würfel mit 12 Fuß (etwa 3,65 Meter) Seitenlänge auf, dessen Kanten aus einem leichten Holzrahmen gebildet wurden. Die Seitenflächen waren netzartig mit Kupferdraht bespannt und mit Papier verkleidet. Der Würfel stand auf vier 5,5 Zoll (etwa 14 Zentimeter) hohen Glasfüßen, um ihn vom Untergrund zu isolieren. In den am 15. und 16. Januar 1836[58] durchgeführten Untersuchungen verband er den Würfel mit einer Elektrisiermaschine, um ihn elektrisch zu laden. Anschließend begab er sich mit einem Goldblatt-Elektrometer in das Innere der Anordnung, um die möglicherweise in der Luft induzierte Elektrizität nachzuweisen. Jeder Punkt des Raumes erwies sich jedoch als frei von Elektrizität.[59][60]
Die als faradayscher Käfig bekannte Anordnung, bei der das elektrische Feld im Inneren eines geschlossenen, leitfähigen Körpers verschwindet, dient heute in der Elektrotechnik zur Abschirmung von elektrostatischen Feldern.
Einfluss von Isolatoren[Bearbeiten]
Faradays Messapparatur zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten eines Stoffes bestand aus zwei solcher identischen Kugelkondensatoren, von denen einer mit einem Dielektrikum befüllt wurde.
1837 dachte Faraday darüber nach, auf welche Weise sich die elektrische Kraftwirkung durch den Raum ausbreitete. Der Gedanke an eine Fernwirkung der elektrischen Kräfte, wie ihn das coulombsche Gesetz implizierte, bereitete ihm Unbehagen. Er vermutete hingegen, dass der Raum bei der Kraftübertragung eine Rolle spielen und eine Abhängigkeit vom Raum füllenden Medium existieren müsse. Faraday begann den Einfluss von Isolatoren systematisch zu untersuchen und entwarf eine Versuchsanordnung aus zwei identischen Kugelkondensatoren. Diese Kugelkondensatoren bestanden ihrerseits aus zwei mit einem Abstand von drei Zentimetern ineinandergestellten Messingkugeln. Die Kugeln waren durch einen mit isolierendem Schellack überzogenen Messinggriff miteinander verbunden und bildeten eine Leidener Flasche. Faraday lud zunächst einen der beiden Kondensatoren auf, brachte ihn anschließend mit dem anderen in elektrischen Kontakt und überzeugte sich mit einer selbstgebauten Coulombschen Drehwaage, dass nach dem Ladungsausgleich beide Kondensatoren die gleiche Ladung trugen. Anschließend füllte er den Luftraum des einen Kondensators mit einem Isolator und wiederholte den Versuch. Seine erneute Messung ergab, dass der Kondensator mit dem Isolator die größere Ladung trug. Er wiederholte das Experiment mit verschiedenen Stoffen. Faraday erhielt ein quantitatives Maß für den Einfluss der Isolatoren auf die Kapazität der Kugeln, das er „specific inductive capacity“ nannte, was heute der Dielektrizitätskonstanten entspricht.[61] Für eine nichtleitende Substanz, die sich zwischen zwei Leitern befindet, hatte Whewell Ende 1836[62] den Begriff Dielektrikum vorgeschlagen, der von Faraday auch genutzt wurde.[63] Faraday erklärte sein experimentelles Ergebnis mit einer Polarisation der Teilchen innerhalb der Isolatoren, bei der die Wirkung von Teilchen zu Teilchen weitergegeben wird, und dehnte diese Idee auch auf den Transport der Elektrizität innerhalb von Leitern aus.[64]
Erschöpfung und Erholung[Bearbeiten]
Anfang 1839 fasste Faraday seine zwischen November 1831 und Juni 1838 in den Philosophical Transactions erschienenen Artikel über seine Untersuchungen über Elektrizität unter dem Titel Experimental Researches in Electricity zusammen. Von August bis November 1839 führte Faraday Untersuchungen zur Funktionsweise der Voltaschen Säule durch, die er im Dezember 1839 unter dem Titel Über die Quelle der Kraft in der Volta’schen Säule[65][66] veröffentlichte. Darin trat er mit zahlreichen experimentellen Belegen der voltaischen Kontakttheorie entgegen.
Ende 1839 erlitt Faraday einen schweren gesundheitlichen Zusammenbruch, den er auf Überarbeitung zurückführte, und dessen Symptome Kopfschmerzen, Schwindelgefühl und zeitweiliger Gedächtnisverlust waren. Sein Arzt Peter Mere Latham (1789–1875) riet ihm, sich zeitweilig von seinen zahlreichen Verpflichtungen entbinden zu lassen und sich in Brighton zu erholen.[67] Faraday arbeitete die nächsten Jahre nur noch sporadisch in seinem Labor. Im Januar und Februar 1840 führte er an fünf Tagen seine Untersuchungen an der Voltaschen Säule fort. Im August und September experimentierte er nochmals an fünf Tagen. Nach dem 14. September 1840 schrieb er für etwa zwanzig Monate bis zum 1. Juli 1842 keinen Eintrag in sein Labortagebuch. Ende 1840 erkannten die Manager der Royal Institution die Ernsthaftigkeit von Faradays Erkrankung und beurlaubten ihn bis zu seiner vollständigen Genesung. Fast ein Jahr lang hielt er keine Vorlesungen. Gemeinsam mit seiner Frau, deren Bruder George Barnard (1807–1890) und dessen Frau Emma begab er sich am 30. Juni 1841 auf eine dreimonatige Erholungsreise in die Schweiz, wo er in den Berner Alpen ausgedehnte Wanderungen unternahm.
1840 hatte William George Armstrong entdeckt, dass beim Ausströmen von Wasserdampf unter hohem Druck in die Luft Elektrizität erzeugt wird. Im Sommer 1842 begann Faraday nach der Ursache dieser Elektrizität zu forschen. Er konnte nachweisen, dass es sich um Reibungselektrizität handelte.[68] Nach Abschluss dieser Arbeiten im Januar 1843 schloss sich eine weitere längere Phase an, in der er kaum experimentierte. Erst ab dem 23. Mai 1844 begann Faraday erneut mit Versuchen, Gase in den flüssigen und festen Zustand zu überführen, die über ein Jahr andauerten. Er knüpfte dabei an seine Experimente von 1823 an. Es gelang ihm, sechs Gase in Flüssigkeiten umzuwandeln und sieben, darunter Ammoniak, Distickstoffmonoxid und Schwefelwasserstoff, in den festen Zustand zu überführen.[69]
In dieser Zeit schien Faraday Zweifel daran zu haben, ob er weiterhin wichtige Beiträge als Naturforscher leisten könne. Er stellte die 15. bis 18. Folge seiner Elektrizitätsuntersuchungen gemeinsam mit etwa 30 weiteren Arbeiten zum zweiten Band der Experimental Researches in Electricity zusammen, der Ende 1844 erschien.[70]
Untersuchungen über Elektrizität (1845 bis 1855)[Bearbeiten]
Magnetismus und Licht[Bearbeiten]
Im Juni 1845 nahm Faraday am Jahrestreffen der British Association for the Advancement of Science in Cambridge teil. Dort begegnete er dem jungen William Thomson, dem späteren Lord Kelvin. Anfang August erhielt Faraday von Thomson einen Brief, in dem sich dieser nach dem Einfluss eines lichtdurchlässigen Nichtleiters auf polarisiertes Licht erkundigte.[71] Faraday erwiderte,[72] dass er 1833 ergebnislos derartige Versuche durchgeführt habe, und versprach, sich der Frage nochmals zuzuwenden. Mit einer leuchtstarken Argand-Lampe wiederholte er Ende August bis Anfang September mit verschiedenen Materialien seine Versuche, erzielte jedoch keinen Effekt. Der Effekt, nach dem Faraday gesucht hatte, der elektrooptische Kerr-Effekt, wurde erst dreißig Jahre später durch John Kerr nachgewiesen.
Am 13. September 1845 schickte Faraday polarisiertes Licht durch die zuvor benutzten Materialien, die er dem Einfluss eines starken Magneten aussetzte. Die ersten Versuche mit Luft und Flintglas erbrachten keine Ergebnisse. Als er ein im Rahmen seiner Glasexperimente in den 1820er Jahren hergestelltes Bleiborat-Glas benutzte, fand er beim Durchgang eine schwache, aber erkennbare Drehung der Polarisationsebene, wenn er den Lichtstrahl parallel zu den Magnetfeldlinien ausrichtete. Er setzte seine Experimente fort und wurde zunächst bei einer weiteren seiner alten Glasproben fündig, bevor er den Effekt an weiteren Materialien, darunter Flintglas, Kronglas, Terpentinöl, Halitkristall, Wasser und Ethanol, nachweisen konnte. Faraday hatte den Nachweis erbracht, dass Licht und Magnetismus zwei miteinander verbundene physikalische Phänomene waren. Seine Ergebnisse veröffentlichte er unter dem Titel Über die Magnetisierung des Lichts und die Belichtung der Magnetkraftlinien.[73] Der von Faraday gefundene magnetooptische Effekt wird heute als Faraday-Effekt bezeichnet.[74]
Faraday stellte sich sofort die Frage, ob auch der umgekehrte Effekt existiere und Licht etwas elektrisieren oder magnetisieren könne. Ein Versuch dazu, bei dem er eine Drahtspule dem Sonnenlicht aussetzte, scheiterte jedoch.
Während einer Freitagabendvorlesung Anfang April 1846 äußerte Faraday einige Spekulationen über „Schwingungsstrahlungen“, die er zwei Wochen später in einem Brief an das Philosophical Magazine schriftlich niederlegte.[75] In ihr skizzierte er die Möglichkeit, dass Licht durch transversale Schwingungen von Kraftlinien entstehen könnte. Faradays Spekulation war eine Anregung für James Clerk Maxwell bei der Entwicklung seiner elektromagnetischen Theorie des Lichtes, die er 18 Jahre später formulierte.[76]
Magnetische Stoffeigenschaften[Bearbeiten]
Faradays anschauliche Darstellung des Verlaufs der magnetischen Feldlinien in einem paramagnetischen (P) und einem diamagnetischen (D) Körper
Die Experimente mit polarisiertem Licht zeigten Faraday, dass ein nichtmagnetischer Stoff durch Magnetismus beeinflusst werden kann. Für seine weiteren Experimente lieh er sich einen starken Elektromagneten von der Royal Military Academy in Woolwich aus. Er befestigte eine Bleiboratglasprobe an zwei Seidenfäden und hängte sie zwischen die zugespitzten Polschuhe des Elektromagneten. Als er den elektrischen Stromkreis schloss, beobachtete er, dass sich die Glasprobe von den Polschuhen fortbewegte und sich senkrecht zur gedachten Verbindungslinie zwischen den Polschuhen ausrichtete. Sie verhielt sich damit anders als magnetische Materialien, die sich entlang der Verbindungslinie ausrichteten. Faraday fand schnell eine Vielzahl von Materialien, die sich wie seine Glasprobe verhielten, darunter Holz, Olivenöl, Apfel, Rindfleisch und Blut. Die deutlichsten Effekte erzielte er mit einem Bismutbarren. In Analogie zum Begriff „dielektrisch“ bezeichnete Faraday diese Stoffe am 18. September 1845 in seinem Labortagebuch als „dimagnetisch“.[77] Erneut half Whewell Faraday bei der Begriffsbildung. Whewell korrigierte die von Faraday benutzte Vorsilbe in dia für ‚durch‘, da die Wirkung durch die Körper hindurch stattfand („diamagnetisch“), und schlug vor, alle Substanzen, die sich nicht so verhielten, als „paramagnetisch“ zu bezeichnen.[78] In seinem Labortagebuch benutzte Faraday in diesem Zusammenhang am 7. November erstmals den Begriff „Magnetfeld“.[79] Faradays Entdeckung des Diamagnetismus führte zur Herausbildung der Magnetochemie, die sich mit den magnetischen Eigenschaften von Materialien beschäftigt.[80][81]
Kraftlinien und Felder[Bearbeiten]
Nach seiner Entdeckung des Einflusses eines Magnetfeldes auf polarisiertes Licht kam Faraday immer mehr zu der Auffassung, dass Kraftlinien eine reale physikalische Bedeutung haben könnten. Das ungewöhnliche Verhalten diamagnetischer Körper ließ sich nur schwer mit den herkömmlichen Magnetpolen erklären und führte zu einem Disput zwischen Faraday und Wilhelm Eduard Weber, der glaubte, nachweisen zu können, dass der Magnetismus wie die Elektrizität polarer Natur sei. 1848 begann Faraday mit neuen Experimenten das Verhalten von diamagnetischen Körpern unter dem Einfluss eines Magneten zu untersuchen. Dabei entdeckte er, dass Kristalle sich entlang bestimmter Vorzugsachsen orientieren (Magnetische Anisotropie). Dieses Verhalten ließ sich nicht mit den bisher genutzten Begriffen von Anziehung oder Abstoßung deuten. In seinem Untersuchungsbericht sprach Faraday erstmals von einem magnetischen Feld, das zwischen zwei Magnetpolen besteht und dessen Wirkung ortsabhängig ist.[82]
1852 fasste Faraday seine Ansichten über Kraftlinien und Felder im Artikel On the physical character of the lines of magnetic force[83] (Über den physikalischen Charakter der magnetischen Kraftlinien) zusammen. Darin lehnte er eine Fernwirkung der Gravitationskräfte ab und vertrat die Auffassung eines mit der Masse eines Körpers verbundenen Gravitationsfeldes.[84]
Elektrizität und Gravitation[Bearbeiten]
Faradays Interesse für Gravitation reichte bis in die Mitte der 1830er Jahre zurück. Ende 1836 las er eine Arbeit des Italieners Ottaviano Fabrizio Mossotti, in der dieser die Gravitation auf elektrische Kräfte zurückführte.[85] Faraday war anfangs von der Arbeit begeistert,[86] ließ sie ins Englische übersetzen und sprach in einer Freitagabendvorlesung über sie. Später verwarf er jedoch Mossottis Erklärung, da er zu der Überzeugung gelangt war, die Unterschiede, wie die Schwerkraft gegenüber anderen Kräften wirkt, seien zu groß. In den nächsten Jahren spekulierte Faraday häufig darüber, auf welche Weise die Schwerkraft mit anderen Kräften in Beziehung stehen könnte. Im März 1849 begann er zu überlegen, wie ein Zusammenhang zwischen Gravitation und Elektrizität experimentell nachzuweisen sei. Er stellte sich die Gravitation als eine Kraft mit zwei komplementären Komponenten vor, bei der ein Körper positiv ist, wenn er sich zur Erde hin und negativ, wenn er sich von ihr wegbewegt. Er stellte die These auf, dass diese beiden Bewegungen mit entgegengesetzten elektrischen Zuständen verbunden seien. Für seine Versuche konstruierte Faraday eine Drahtspule, die er mit einem Galvanometer verband und aus großer Höhe fallen ließ. Er konnte jedoch bei keiner Messung einen Effekt nachweisen. Trotz des negativen Ausganges der Versuche beschrieb er seine Bemühungen in der Baker-Vorlesung vom 28. November 1850.[87]
Im Februar 1859 begann Faraday erneut eine Reihe von Experimenten, mit denen er einen Zusammenhang zwischen Gravitation und Elektrizität nachzuweisen hoffte. Aufgrund des zu erwartenden geringen Effektes benutzte er einige hundert Kilogramm schwere Bleimassen, die er vom 50 Meter hohen Schrotturm in Lambeth fallen ließ. Mit anderen Experimenten hoffte er, eine Temperaturänderung beim Heben und Senken einer Masse nachweisen zu können. Am 9. Juli 1859 brach Faraday die Versuche erfolglos ab. Er verfasste darüber den Aufsatz Note on the Possible Relation of Gravity with Electricity or Heat, den er am 16. April 1860[88] fertigstellte und der wie gewohnt in den Philosophical Transactions erscheinen sollte. George Gabriel Stokes, der befand, dass die Arbeit nicht veröffentlichungswürdig sei, da er nur negative Ergebnisse vorzuweisen habe, empfahl Faraday, seinen Artikel zurückzuziehen,[89] was dieser nach Erhalt von Stokes Brief umgehend tat.[90][91]
Popularisierung von Naturforschung und Technik[Bearbeiten]
Lithografie von Alexander Blaikley (1816–1903), die Michael Faraday am 27. Dezember 1855 bei einer seiner Weihnachtsvorlesungen zeigt, an der auch Prinz Albert und Prinz Alfred teilnahmen
Kurz nach seiner Ernennung zum Labordirektor der Royal Institution Anfang 1825 öffnete Faraday die Laboratorien des Instituts für die Treffen der Institutsmitglieder. An drei bis vier Freitagabenden wollte er vor interessierten Mitgliedern von Experimenten begleitete Chemievorträge abhalten. Aus diesen informellen Treffen entwickelte er das Konzept der regelmäßig stattfindenden Freitagabendvorlesungen, bei denen Themen aus Naturforschung und Technik für Laien verständlich dargestellt werden sollten. Bei der ersten Freitagabendvorlesung am 3. Februar 1826 sprach Faraday über Kautschuk. Von den 17 Vorlesungen des ersten Jahres hielt er sechs zu Themen wie Isambard Kingdom Brunels Gasverflüssiger, Lithografie und den Thames Tunnel. Nach Faradays Ansicht sollten die Vorlesungen Spaß machen, unterhalten, bilden und vor allem anregend sein. Seine Vorlesungen wurden aufgrund der schlichten Vortragsweise sehr populär und waren stets gut besucht. Bis 1862 gab Faraday insgesamt 126[92] dieser einstündigen Vorlesungen. Als Sekretär des Komitees für die „Weekly Evening Meetings“ sorgte Faraday dafür, dass die Vorträge in der Literary Gazette und im Philosophical Magazin veröffentlicht wurden und auf diese Weise einem noch breiteren Publikum zugänglich waren.[93][94][95]
Neben den Freitagabendvorlesungen wurde zum Jahreswechsel 1825/26 erstmals eine Weihnachtsvorlesung abgehalten, die sich speziell an jugendliche Hörer richtete. Bis Anfang der 1860er Jahre prägte Faraday die Ausgestaltung der Weihnachtsvorlesungen wesentlich. Von 1827 an war er für insgesamt 19 Folgen verantwortlich, die meist aus sechs Einzelvorlesungen bestanden. 1860/61 nutzte er seine Notizen der bereits 1848/49 abgehaltenen Vorlesung mit dem Titel Chemical History of a Candle (Naturgeschichte einer Kerze). Auf Betreiben von William Crookes wurde Faradays Weihnachtsvorlesung mitgeschrieben und erschien als sechsteilige Artikelfolge in Crookes Chemical News. Die kurze Zeit später erschienene Buchfassung gilt als eines der erfolgreichsten populärwissenschaftlichen Bücher und wurde in zahlreiche Sprachen übersetzt.[96]
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Die klassische Elektrodynamik (auch Elektrizitätslehre) ist das Teilgebiet der Physik, das sich mit bewegten elektrischen Ladungen und mit zeitlich veränderlichen elektrischen und magnetischen Feldern beschäftigt. Die Elektrostatik als Spezialfall der Elektrodynamik beschäftigt sich mit ruhenden elektrischen Ladungen und ihren Feldern. Die zugrundeliegende Grundkraft der Physik heißt elektromagnetische Wechselwirkung.
Als Entdecker des Zusammenhangs von Elektrizität und Magnetismus gilt Hans Christian Ørsted (1820), obwohl er in Gian Domenico Romagnosi (1802) einen damals kaum beachteten Vorläufer hatte. Die Theorie der klassischen Elektrodynamik wurde von James Clerk Maxwell Mitte des 19. Jahrhunderts mithilfe der nach ihm benannten Maxwell-Gleichungen formuliert. Die Untersuchung der Maxwellgleichungen für bewegte Bezugssysteme führte Albert Einstein 1905 zur Formulierung der speziellen Relativitätstheorie. Im Laufe der 1940er Jahre gelang es, die Quantenmechanik und Elektrodynamik in der Quantenelektrodynamik zu kombinieren; deren Vorhersagen stimmen mit Messergebnissen sehr genau überein.
Eine wichtige Form von elektromagnetischen Feldern sind die elektromagnetischen Wellen, zu denen als bekanntester Vertreter das sichtbare Licht zählt. Dessen Erforschung bildet ein eigenes Gebiet der Physik, die Optik. Die physikalischen Grundlagen der Beschreibung elektromagnetischer Wellen liefert jedoch die Elektrodynamik.
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