3.1.5 Wirkungen des elektrischen Stroms

Abb. 1

Nach der Entdeckung des elektrochemischen Elements war es zum ersten Mal möglich, die fließende Elektrizität (elektrischer Strom) auf ihre Wirkung zu untersuchen.

Die bekannten Wirkungen sollen hier kurz beschrieben werden:

Ein von Elektrizität durchflossener, leitender Draht wird warm. Die durch die Erwärmung verursachte Dehnung des Drahtes kann zur Stromstärkemessung genutzt werden (Hitzedrahtamperemeter). Durch Steigerung der Stromstärke kann der Draht zum Glühen gebracht werden (Glühlampe).

Umfließt ein elektrischer Strom in vielen Drahtwindungen einen Eisenstab E (siehe Abb. 2), dann verhält sich  dieser  wie ein Stabmagnet. Die Polarität von E wird mit der Änderung der Stromrichtung umgekehrt. Ein Stabmagnet ist ein Eisenstab, der mit seinen Enden (Polen) Eisenspäne anzieht. Wird er an einem Faden waagrecht aufgehängt, dann richtet er sich von Süden nach Norden aus. Die Enden (Pole)  werden nach den Erdpolen benannt, auf die sie zeigen.

Gleichartige Pole stoßen sich ab, ungleichartige Pole ziehen sich an. Schon die alten Griechen (Thales von Milet) kannten eisenhaltige Steine mit magnetischen Eigenschaften.



Abb. 2

Die hier beschriebene Tatsache ermöglicht den Bau des in Abb.3 skizzierten Elektromotors. Ein Elektromagnet (Eisenstab mit einer Leiterwicklung), an dem  zwei Halbringe (sie bilden einen Kommutator) befestigt sind, rotiert um seine Mitte zwischen den Polen eines festen Magneten. Der elektrische Strom fließt von einem - Schleifkontakt (Graphit) zu einem Halbring, von dort aus in die Spule und danach aus der Spule über den zweiten Halbring zum  + Schleifkontakt. Erreicht der Elektromagnet eine waagrechte Lage, dann verharrt er wegen seiner Trägheit nicht in dieser, sondern dreht sich darüber hinaus, was zu einer Umkehrung der Stromrichtung und damit zu einer Änderung seiner Polarität führt. Er erfährt somit Kräfte, die eine Fortführung der Rotation veranlassen.

Abb. 3

Eine Vorführung erfolgt  nach „62“ und „START“ .

Die Magnetisierung ist von der Stärke des Stroms abhängig und kann somit auch zur Stromstärkemessung genutzt werden. Hier ist noch zu ergänzen, dass eine stromdurchflossene  Drahtspule auch ohne Eisenkern die Merkmale eines schwachen Stabmagneten hat. Diese Tatsache gibt Anlass zu der Vermutung:

Ein Stabmagnet verdankt seine besonderen Eigenschaften Ladungsträgern, die in seinen Atomen kreisen.

Lässt man Elektrizität durch verdünnte Schwefelsäure hindurchfließen (siehe Abb.4), dann wird an der positiven Elektrode Sauerstoff und an der negativen Elektrode Wasserstoff abgeschieden. Die hier beschriebene Stoffzerlegung unter der Einwirkung fließender Elektrizität wird Elektrolyse genannt. Sie ist nicht nur an Salzsäure, sondern auch an wässrigen Lösungen von Zinkchlorid, Silbernitrat und anderen Salzen erkennbar. Bei Verwendung einer Silbernitratlösung bildet sich auf der negativen Elektrode ein Silberniederschlag. Ein Gegenstand wird versilbert, wenn er als negative Elektrode in eine Silbernitratlösung gebracht wird. Galvanisieren nennt man die schon den alten Babyloniern bekannte Oberflächenveredlung durch Elektrolyse. Die Elektrolyse ermöglicht eine  Festlegung einer Elektrizitätsmengeneinheit und einer Stromstärkeeinheit. Diejenige Elektrizitätsmenge wird als Mengeneinheit Coulomb (Abkürzung: C) definiert, die aus einer Silbersalzlösung 1,118 mg Silber abscheidet. Die hier dargelegte Definition ist möglich, weil die von einem Coulomb abgeschiedene Stoffmenge unabhängig von der Art und Weise ist, in der das Coulomb durch ein Elektrolyt fließt (langsam oder schnell..). An dem für Definitionen ungewöhnlich komplizierten Dezimalbruch 1.118 ist erkennbar, dass es sich hier um eine vorläufige Definition handelt, die einer anderen, später zu behandelnden Definition angepasst ist. 

Zur Messung einer Elektrizitätsmenge Q kann das im Folgenden beschriebene Coulombmeter dienen:

Durch den Stopfen einer mit verdünnter Schwefelsäure gefüllten Flasche sind zwei Elektroden geführt (siehe Abb.4). Das bei dem Elektrizitätsdurchgang entwickelte Knallgas (Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch) drückt Säure in das Steigrohr S. Aus dem Flüssigkeitsstand im Steigrohr kann auf die durchgeflossene Elektrizitätsmenge geschlossen werden. Durch eine Elektrizitätsmengenmessung und eine Zeitmessung kann auch die Stärke I eines Elektrizitätsflusses innerhalb eines Leiters bestimmt werden.

Als Stromstärke I ist der Quotient Q/t definiert. Q ist die in der Zeit t durch den Leiterquerschnitt hindurch geflossene Elektrizitätsmenge. Q/t steht für die Elektrizitätsmenge, die in der Zeiteinheit durch den Leiterquerschnitt hindurchfließt.Die Einheit Coulomb/Sekunde heißt Ampere (Abkürzung: A). Als Stromrichtung gilt die Richtung entgegen dem Elektronenfluss.

Abb. 4