Elektrizität: Eine neue Kraft
Wann wurde die Elektrizität entdeckt? - Die Frage ist nicht ganz einfach zu beantworten. Es gibt Berichte zu Phänomenen, die wir heute als elektrisch kennen, schon aus der Frühzeit der Hochkulturen, insbesondere über den Blitz als gewaltige Waffe der Götter. Aus der griechischen Antike kennen wir das Elmsfeuer, bei dem elektrische Entladungen als Flammenspitzen auf Schiffsmasten oder Lanzen tanzten, oder die elektrischen Fische; die anziehende Kraft von Bernstein ist seit dem 4. Jahrhundert v. Chr. bekannt.
William Gilbert, Leibarzt der Königin Elisabeth I. von England, nannte um 1600 alle Materialien, die ähnliche Effekte wie Bernstein zeigten, also nach Reibung leichte Teilchen anzogen, nach dem griechischen Wort für Bernstein, Elektron, Electrica, das heißt »Bernsteinartige«. Aber erst im 18. Jahrhundert wurde die Elektrizität in der Wissenschaft »salonfähig«.Große Popularität gewann sie durch die Möglichkeit, auch Menschen zu elektrisieren. Im Januar 1746 schrieb der holländische Physiker Pieter van Musschenbroek aus Leiden über »eine schreckliche Erfahrung«. Er hatte einen starken Elektroschock aus seiner später so genannten Leidener Flasche erhalten. Der Kondensator war entdeckt!
Berühmt wurde nun bald der amerikanische Wissenschaftler, Schriftsteller, Unternehmer und Politiker Benjamin Franklin durch seinen Blitzableitervorschlag im Jahre 1752. Schon länger war bekannt, dass zugespitzte Leiter die Elektrizität aus geladenen Körpern entluden, wenn sie sich in geeigneter Entfernung gegenüberstanden. Franklins geniale Idee war es, Spitzenleiter auch gegenüber Blitzen zur Ableitung der Elektrizität vorzuschlagen. Die Blitzableiter setzten sich ab den 1770er-Jahren schnell durch, da diese erste Elektrotechnik sehr einfach zu installieren war und zwei der mächtigsten und reichsten Institutionen der Gesellschaft besonders daran interessiert waren: die Kirche, weil sie die höchsten Gebäude hatte, und das Militär. Dieses besaß, an wenigen Stellen des Landes konzentriert, Pulvermagazine, die zwar sehr viel seltener, aber umso folgenreicher in die Luft gehen konnten.
Von Galvanis Fröschen zum Elektromagnetismus
Der Professor der Anatomie in Bologna, Luigi Galvani, machte ab dem Jahre 1780 Untersuchungen, die die Elektrizitätslehre gewaltig erschüttern sollten. Auf den Spuren anderer Physiologen befasste er sich mit der elektrischen Erregbarkeit von Nerven und Muskeln sezierter Tiere, vor allem von Fröschen. Im Herbst 1786 schließlich fand er heraus, dass Froschmuskeln zuckten, wenn sie an das Gitter seines Balkons gedrückt wurden, ohne Vorhandensein sonstiger Elektrizität. Offenbar entlud sich aber etwas Ähnliches aus den präparierten Froschteilen über die Metallleitung des Balkongitters. Weiter kam er nicht. Er glaubte, eine eigene tierische Elektrizität entdeckt zu haben, die im Frosch steckte wie in einer Leidener Flasche.
Alessandro Volta, sein italienischer Kollege, erfahrener Physiker und Chemiker, erklärte das »galvanische Element« aber rein physikalisch: als erstes Batterieelement der Geschichte. Man musste nur zwei verschiedene Metalle nehmen, zwischen sie eine leitende Flüssigkeit, also einen Elektrolyten, bringen und die Metalle außerhalb des Elektrolyten leitend miteinander verbinden. Der Frosch war für die Elektrizitätserzeugung völlig unnötig. Er spielte nur die Rolle eines empfindlichen Messinstruments. 1799 fand Volta etwas Neues: Bei Hintereinanderschaltung von einzelnen Elementen wurde die Spannung proportional zur Anzahl der Elemente erhöht, und auch die physiologischen Wirkungen wie Erschütterungen wurden enorm verstärkt. Die Welt war sofort begeistert für das gewaltige Instrument, mit dem man die elektrischen Wirkungen offenbar endlos steigern konnte. Volta führte seine Experimente 1801 in Paris vor. Der damalige Erste Konsul Napoléon Bonaparte wohnte den Sitzungen der Akademie bei und versah Volta mit höchstem Lob und fürstlicher Belohnung. Mit dieser »Voltasäule« und ähnlichen Batterien wurde nun auch die Elektrochemie begründet. Doch dauerte es noch bis weit in das 19. Jahrhundert, bevor man länger konstante, alltagstaugliche Batterien produzieren konnte.
Schon lange wusste man, dass Kompassnadeln durch Blitzeinschläge Nord- und Südpol austauschten, was auf Schiffen öfters Verwirrung stiftete. Andererseits konnte nichtmagnetisches Eisen durch den Blitz und auch durch starke Reibungselektrizität magnetisiert werden. Doch erst der Däne Hans Christian Ørsted kam 1820 auf die Idee, eine Magnetnadel unter den Strom führenden Draht einer elektrochemischen Batterie zu halten - sofort wurde die Magnetnadel abgelenkt. Das war eine epochale Entdeckung und die Voraussetzung für elektromagnetische Messtechnik und für Elektromotoren.
1831 entdeckte der Brite Michael Faraday den umgekehrten Effekt, dass man mit elektrischen Strömen und mit Magnetismus auch andere elektrische Ströme erzeugen konnte: die elektromagnetische Induktion. Nun wurden auch elektrische Generatoren zur Stromerzeugung möglich. Doch es dauerte noch Jahrzehnte, bis sich daraus die Starkstromtechnik entwickelte. Zwar gab es schon bald Elektromotoren als wissenschaftliche Versuche und auch Generatoren, die zum Beispiel zur Straßenbeleuchtung eingesetzt wurden, aber der Wirkungsgrad war noch bescheiden. Das änderte sich in den 1860er-Jahren. Bei den Generatoren war es insbesondere die Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips durch Werner von Siemens 1866: Man brauchte keine kräftigen und mit der Zeit nachlassenden Stabmagnete für Dynamomaschinen mehr. Der Restmagnetismus im normalen Eisen reichte aus, um durch Selbstverstärkung genügend starke elektromagnetische Felder zur Stromerzeugung aufzubauen. Doch noch wurden solche Maschinen fast nur für Bogenlampenlicht oder für die Galvanotechnik eingesetzt. Erst in den 1880er-Jahren waren Dynamomaschinen, Elektromotoren und die Fernübertragung von Strom so weit, dass elektrische Kraftwerke und damit auch Elektroantriebe etwa bei Kränen und Fahrstühlen entstanden. Wesentlichen Anteil daran hatte auch die Entwicklung der Glühlampe.
Glühlampe und Telefon: Elektrotechnik im Alltag
Die ersten elektrischen Beleuchtungen waren Bogenlampen; zwischen Kohlestiften sprang der elektrische Strom über und erzeugte einen gleißenden Lichtbogen. Doch war dieses Licht zu stark für kleinere Räume und auch zu umständlich und relativ gefährlich zu handhaben. Den Durchbruch brachte deshalb die Glühlampe. Erste Versuche dazu gab es schon vor 1850. Die ersten Glühlampen mit Kohlefäden stammten 1854 von Heinrich Goebel, einem in Amerika lebenden Deutschen. Doch konnte er diese Erfindung nicht allgemein brauchbar weiterentwickeln. Das gelang erst dem Universalerfinder und Geschäftsmann Thomas Alva Edison ab 1878. Von da an trat die Glühlampe ihren Weg um die Welt an, zusammen mit Elektrizitätswerken und Dynamomaschinen. Erst ab den 1930er-Jahren übrigens wurde sie durch »kaltes« elektrisches Licht ergänzt - die Gasentladungslampen, auch Neonlampen genannt, wurden entwickelt.
Die Entwicklung der elektrischen Messtechnik ab 1820 führte zur elektrischen Nachrichtentechnik, man konnte elektrische Signale über größere Entfernungen leiten. So bauten schon Carl Friedrich Gauß und sein Physikerkollege Wilhelm Weber 1833 in Göttingen einen elektromagnetischen Telegrafen als physikalischen Grundlagenversuch. Doch war es auch hier Amerika, das Erfindungen in breite Innovation umsetzte. Samuel Morse ließ 1837 seinen Schreibtelegrafen patentieren, sein Morsealphabet wird noch heute, zum Beispiel im Amateurfunk, verwendet. 1876 erhielt Graham Bell sein Patent für ein Telefon. 1888 entdeckte Heinrich Hertz die elektromagnetischen Wellen und leitete damit die drahtlose Telegrafie ein. Alle drei Erfindungen veränderten das Gesicht unseres 20. Jahrhunderts radikal. Computer und Internet sind in gewissem Sinne die Fortsetzung dieser elektronischen Kommunikation - auf der Basis der Mikroelektronik.
Prof. Dr. Jürgen Teichmann