Elektrizität für Kinder

Elektrizität ist das Vorhandensein und der Fluss elektrischer Ladung. Mit Hilfe von Elektrizität können wir Energie auf eine Weise übertragen, die es uns ermöglicht, einfache Aufgaben zu erledigen. Ihre bekannteste Form ist der Fluss von Elektronen durch Leiter wie Kupferdrähte.

Das Wort „Elektrizität“ wird manchmal auch für „elektrische Energie“ verwendet. Sie sind nicht dasselbe: Elektrizität ist ein Übertragungsmedium für elektrische Energie, so wie Meerwasser ein Übertragungsmedium für Wellenenergie ist. Ein Gegenstand, durch den Elektrizität fließen kann, wird als Leiter bezeichnet. Kupferdrähte und andere Metallgegenstände sind gute Leiter, durch die Strom fließen kann und die elektrische Energie übertragen. Kunststoff ist ein schlechter Leiter (auch Isolator genannt) und lässt nur wenig Strom durch, so dass er die Übertragung von elektrischer Energie verhindert.

Die Übertragung von elektrischer Energie kann auf natürliche Weise (z. B. durch Blitze) oder durch Menschen (z. B. in einem Generator) erfolgen. Sie kann zum Antrieb von Maschinen und elektrischen Geräten verwendet werden. Wenn sich elektrische Ladungen nicht bewegen, spricht man von statischer Elektrizität. Wenn sich die Ladungen bewegen, handelt es sich um einen elektrischen Strom, der manchmal auch als „dynamische Elektrizität“ bezeichnet wird. Blitze sind die bekannteste – und gefährlichste – Art von elektrischem Strom in der Natur, aber manchmal bewirkt statische Elektrizität auch, dass Dinge in der Natur zusammenkleben.

Elektrizität kann gefährlich sein, besonders in der Nähe von Wasser, weil Wasser eine Art guter Leiter ist, da es Verunreinigungen wie Salz enthält. Salz kann den Stromfluss fördern. Seit dem neunzehnten Jahrhundert wird Elektrizität in allen Bereichen unseres Lebens verwendet. Bis dahin war sie nur eine Kuriosität, die man in den Blitzen eines Gewitters sah.

Elektrische Energie kann erzeugt werden, wenn ein Magnet in die Nähe eines Metalldrahtes kommt. Das ist die Methode, die ein Generator verwendet. Die größten Generatoren stehen in Kraftwerken. Elektrische Energie kann auch freigesetzt werden, indem man Chemikalien in einem Glas mit zwei verschiedenen Arten von Metallstäben kombiniert. Dies ist die Methode, die in einer Batterie verwendet wird. Statische Elektrizität kann durch die Reibung zwischen zwei Materialien erzeugt werden – zum Beispiel zwischen einer Wollmütze und einem Plastiklineal. Dadurch kann ein Funke entstehen. Elektrische Energie kann auch durch die Energie der Sonne erzeugt werden, wie in photovoltaischen Zellen.

Elektrische Energie kommt durch Drähte von den Orten, an denen sie erzeugt wird, nach Hause. Sie wird von elektrischen Lampen, elektrischen Heizungen usw. genutzt. Viele Geräte wie Waschmaschinen und Elektroherde verbrauchen Strom. In Fabriken treibt die elektrische Energie Maschinen an. Menschen, die sich mit Elektrizität und elektrischen Geräten in unseren Häusern und Fabriken beschäftigen, werden „Elektriker“ genannt.

Wie sie funktioniert

Es gibt zwei Arten von elektrischen Ladungen, die sich gegenseitig anschieben und anziehen: positive und negative Ladungen. Elektrische Ladungen schieben oder ziehen sich gegenseitig an, wenn sie sich nicht berühren. Das ist möglich, weil jede Ladung ein elektrisches Feld um sich herum aufbaut. Ein elektrisches Feld ist ein Bereich, der eine Ladung umgibt. An jedem Punkt in der Nähe einer Ladung zeigt das elektrische Feld in eine bestimmte Richtung. Wenn eine positive Ladung an diesem Punkt platziert wird, wird sie in diese Richtung gedrückt. Wenn eine negative Ladung an diesem Punkt platziert wird, wird sie genau in die entgegengesetzte Richtung gedrückt.

Es funktioniert wie bei Magneten, und in der Tat erzeugt Elektrizität ein Magnetfeld, in dem sich gleichartige Ladungen abstoßen und entgegengesetzte Ladungen anziehen. Das heißt, wenn man zwei negative Ladungen nahe beieinander hat und sie loslässt, werden sie sich auseinander bewegen. Das Gleiche gilt für zwei positive Ladungen. Bringt man jedoch eine positive und eine negative Ladung nahe beieinander, so ziehen sie sich gegenseitig an. Eine kurze Erinnerung daran ist der Satz: Gegensätze ziehen sich an und stoßen sich ab.

Alle Materie im Universum besteht aus winzigen Teilchen mit positiven, negativen oder neutralen Ladungen. Die positiven Ladungen nennt man Protonen und die negativen Ladungen Elektronen. Protonen sind viel schwerer als Elektronen, aber beide haben die gleiche elektrische Ladung, nur dass Protonen positiv und Elektronen negativ sind. Da sich „Gegensätze anziehen“, bleiben Protonen und Elektronen aneinander haften. Einige Protonen und Elektronen können größere Teilchen bilden, die Atome und Moleküle genannt werden. Atome und Moleküle sind noch sehr klein. Sie sind zu klein, um sie zu sehen. Jeder große Gegenstand, wie z. B. dein Finger, enthält mehr Atome und Moleküle, als man zählen kann. Wir können nur schätzen, wie viele es sind.

Da negative Elektronen und positive Protonen zusammenhalten, um große Objekte zu bilden, sind alle großen Objekte, die wir sehen und fühlen können, elektrisch neutral. Elektrisch ist ein Wort, das „Elektrizität beschreibt“, und neutral ist ein Wort, das „ausgeglichen“ bedeutet. Deshalb spüren wir nicht, wie Objekte aus der Ferne auf uns drücken oder 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. Man könnte sagen, dass die Welt genau ausgeglichen, also neutral ist. Die Wissenschaftler wissen immer noch nicht, warum das so ist.

Elektrischer Strom

Die Elektronen können sich überall in dem Material bewegen. Protonen bewegen sich nie um einen festen Gegenstand herum, weil sie so schwer sind, zumindest im Vergleich zu den Elektronen. Ein Material, in dem sich die Elektronen frei bewegen können, nennt man einen Leiter. Ein Material, das jedes Elektron fest an seinem Platz hält, wird als Isolator bezeichnet. Beispiele für leitende Materialien sind Kupfer, Aluminium, Silber und Gold. Beispiele für Isolatoren sind Gummi, Kunststoff und Holz. Kupfer wird sehr häufig als Leiter verwendet, weil es ein sehr guter Leiter ist und es so viel davon auf der Welt gibt. Kupfer ist in elektrischen Leitungen zu finden. Manchmal werden aber auch andere Materialien verwendet.

Im Inneren eines Leiters hüpfen die Elektronen herum, aber sie bewegen sich nicht lange in eine Richtung. Wenn ein elektrisches Feld im Inneren des Leiters aufgebaut wird, beginnen die Elektronen, sich in die Richtung zu bewegen, die der Richtung des Feldes entgegengesetzt ist (weil Elektronen negativ geladen sind). Eine Batterie kann ein elektrisches Feld im Inneren eines Leiters erzeugen. Wenn die beiden Enden eines Drahtes mit den beiden Enden einer Batterie (den so genannten Elektroden) verbunden werden, entsteht eine Schleife, die als Stromkreis bezeichnet wird. Solange die Batterie ein elektrisches Feld im Inneren des Drahtes erzeugt, fließen Elektronen um den Stromkreis herum. Dieser Elektronenfluss im Stromkreis wird als elektrischer Strom bezeichnet.

Ein leitender Draht, der zur Übertragung von elektrischem Strom verwendet wird, ist oft mit einem Isolator wie Gummi umwickelt. Das liegt daran, dass Drähte, die Strom führen, sehr gefährlich sind. Wenn ein Mensch oder ein Tier einen blanken stromführenden Draht berührt, kann er sich verletzen oder sogar sterben, je nachdem, wie stark der Strom war und wie viel elektrische Energie der Strom überträgt. Du solltest 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 überträgt elektrische Energie, damit das Gerät etwas tut, was wir von ihm erwarten. Elektrische Geräte können sehr einfach sein. In einer Glühbirne zum Beispiel leitet der Strom Energie durch einen speziellen Draht, den Glühfaden, der die Glühbirne zum Leuchten bringt. Elektrische Geräte können aber 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 zu betreiben.

Hier sind einige Begriffe, auf die man stoßen kann, wenn man studiert, wie Elektrizität funktioniert. Das Studium der Elektrizität und wie sie elektrische Schaltkreise möglich macht, wird Elektronik genannt. Es gibt einen Bereich der Technik, der Elektrotechnik genannt wird und in dem Menschen neue Dinge mit Hilfe von Elektrizität entwickeln. Alle diese Begriffe sind für die Schüler wichtig zu wissen.

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

• Die Spannung, auch „Potenzialdifferenz“ genannt, ist der „Schub“ hinter dem Strom. Sie ist die Arbeit, die eine elektrische Quelle pro elektrischer Ladung verrichten kann. Wenn 1 Coulomb Elektrizität 1 Joule Energie hat, hat sie ein elektrisches Potenzial von 1 Volt. Um die Spannung zwischen zwei Punkten zu messen, verwenden wir ein Voltmeter.

• Der Widerstand ist die Fähigkeit eines Stoffes, den Stromfluss zu „verlangsamen“, d. h. die Geschwindigkeit zu verringern, mit der die Ladung durch den Stoff 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 ein Stoff und kann von einem Ort zum anderen bewegt werden (z.B. entlang eines Übertragungsmediums oder in einer Batterie). Elektrische Energie wird in Joule oder Kilowattstunden (kWh) gemessen.

• Elektrische Leistung ist die Geschwindigkeit, mit der elektrische Energie genutzt, gespeichert oder übertragen wird. Der Durchfluss von elektrischer Energie durch Stromleitungen wird in Watt gemessen. Wenn die elektrische Energie in eine andere Energieform umgewandelt wird, wird sie in Watt gemessen. Wenn ein Teil der Energie 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.

Erzeugung elektrischer Energie

Elektrische Energie wird meist an Orten erzeugt, die Kraftwerke heißen. Die meisten Kraftwerke nutzen Wärme, um Wasser zu Dampf zu kochen, der eine Dampfmaschine antreibt. Die Turbine der Dampfmaschine treibt eine Maschine an, die „Generator“ genannt wird. Die gewickelten Drähte im Inneren des Generators werden in einem Magnetfeld zum Drehen gebracht. Dies bewirkt, dass Strom durch die Drähte fließt und elektrische Energie transportiert. Dieser Vorgang wird als elektromagnetische Induktion bezeichnet. Michael Faraday entdeckte, wie dies funktioniert.

Es gibt viele Wärmequellen, die zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden können. Es gibt zwei Arten von Wärmequellen: erneuerbare Energiequellen, bei denen der Vorrat an Wärmeenergie nie versiegt, und nicht-erneuerbare Energiequellen, bei denen der Vorrat irgendwann aufgebraucht ist.

Manchmal kann ein natürlicher Strom, wie Wind- oder Wasserkraft, direkt zum Drehen eines Generators verwendet werden, so dass keine Wärme benötigt wird.

Bilder für Kinder

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  Thales, der früheste bekannte Forscher auf dem Gebiet der Elektrizität

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  Benjamin Franklin führte im 18. Jahrhundert umfangreiche Forschungen zur Elektrizität durch, Jahrhundert umfangreiche Forschungen zur Elektrizität durch, wie Joseph Priestley (1767) History and Present Status of Electricity dokumentiert, mit dem Franklin einen umfangreichen Briefwechsel führte.

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  Michael Faradays Entdeckungen bildeten die Grundlage der Elektromotorentechnik

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  Ladung an einem Gold-Blatt-Elektroskop bewirkt, dass sich die Blätter sichtbar voneinander abstoßen

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  Ein elektrischer Lichtbogen liefert eine energiegeladene Demonstration des elektrischen Stroms

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  Feldlinien, die von einer positiven Ladung über einem ebenen Leiter ausgehen

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  Ein Paar von AA-Zellen. Das +-Zeichen gibt die Polarität der Potentialdifferenz zwischen den Batteriepolen an.

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  Das Magnetfeld kreist um einen Strom

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  Der Elektromotor macht sich einen wichtigen Effekt des Elektromagnetismus zunutze: Ein Strom, der durch ein Magnetfeld fließt, erfährt eine Kraft, die rechtwinklig zum Feld und zum Strom steht

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  Der italienische Physiker Alessandro Volta zeigte dem französischen Kaiser Napoleon Bonaparte Anfang des 19. Jahrhunderts seine „Batterie“.

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  Eine elektrische Grundschaltung. Die Spannungsquelle V auf der linken Seite treibt einen Strom I durch den Stromkreis und liefert elektrische Energie an den Widerstand R. Vom Widerstand kehrt der Strom zur Quelle zurück, wodurch der Stromkreis geschlossen wird.

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  Oberflächenmontierte elektronische Bauteile

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  Anfang des 20. Jahrhunderts in Budapest hergestellter Generator, Ungarn, in der Stromerzeugungshalle eines Wasserkraftwerks (Foto von Prokudin-Gorsky, 1905-1915).

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  Windkraft ist in vielen Ländern von wachsender Bedeutung

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  Der elektrische Aal, Electrophorus electricus