Wie die Elektrizität erfunden wurde – und aus einfachen Materialien Spulen, Kondensatoren und Spannungsquellen entstanden

LNGR WISSEN  ·  Überarbeitet am 23. Oktober 2026  ·  Geschichte der Elektrotechnik

Eine ausführliche Reise durch die Geschichte der Elektrotechnik – von der Antike bis zu den Grundlagen unserer heutigen Elektronik.

Das wirklich Faszinierende an dieser Geschichte ist: Die Menschen bauten die ersten elektrischen Bauteile, lange bevor sie verstanden, weshalb diese funktionierten.

Ein Glasgefäß wurde zum ersten Kondensator. Zwei unterschiedliche Metalle und ein feuchtes Stück Stoff wurden zur Batterie. Ein aufgewickelter Kupferdraht wurde zum Elektromagneten. Und aus zwei solchen Wicklungen auf einem Eisenring entstand das Prinzip des Transformators.

Dabei war die Entwicklung keineswegs geradlinig. Manche Entdeckungen waren Zufälle, andere das Ergebnis jahrzehntelanger Experimente. Häufig fehlte lediglich ein einziges Puzzleteil, damit eine völlig neue Technologie möglich wurde.

1. Am Anfang gab es weder Spannung noch Strom – zumindest nicht als verstandene Begriffe

Antike bis etwa 1600

Stellen wir uns einen Menschen vor, der vor mehr als 2.000 Jahren an der Mittelmeerküste sitzt. In seiner Hand hält er ein Stück Bernstein, also fossiles Baumharz.

Er reibt den Bernstein mit einem Wolltuch. Anschließend bemerkt er etwas Seltsames: Kleine Federn, Staubteilchen oder Pflanzenfasern werden plötzlich von dem Bernstein angezogen.

Das war eine der frühesten dokumentierten Beobachtungen dessen, was wir heute statische Elektrizität nennen.

Was passierte tatsächlich?

Heute können wir das viel genauer erklären.

Alle Materialien bestehen aus Atomen. Ein Atom besitzt einen positiv geladenen Kern und eine Hülle aus negativ geladenen Elektronen.

Normalerweise besitzt ein Körper insgesamt genauso viel positive wie negative elektrische Ladung. Er ist elektrisch neutral.

Beim Reiben zweier unterschiedlicher Materialien können jedoch elektrische Ladungen zwischen den Oberflächen übertragen werden.

Vereinfacht nehmen wir an:

1. Der Bernstein und das Wolltuch sind zunächst elektrisch neutral.
2. Beim Reiben gelangen Elektronen vom Wolltuch auf den Bernstein.
3. Der Bernstein besitzt danach einen Elektronenüberschuss und ist negativ geladen.
4. Das Wolltuch besitzt einen entsprechenden Elektronenmangel und ist positiv geladen.
5. Der geladene Bernstein erzeugt ein elektrisches Feld und kann leichte Gegenstände anziehen.

Die genaue Ladungsübertragung hängt vom Material und seinen Oberflächeneigenschaften ab. Neben Elektronen können bei der sogenannten Triboelektrizität auch andere mikroskopische Prozesse beteiligt sein.

Aber warum zieht ein geladener Bernstein neutrale Gegenstände an?

Das ist eine wichtige Frage.

Ein neutrales Papierschnipsel besitzt zwar insgesamt keine elektrische Nettoladung. Die positiven und negativen Ladungen in seinem Inneren können aber durch ein äußeres elektrisches Feld geringfügig gegeneinander verschoben werden.

Das nennt man elektrische Polarisation.

Die dem Bernstein zugewandte Seite wird dadurch effektiv entgegengesetzt polarisiert. Weil diese Seite näher am Bernstein liegt als die andere, ergibt sich insgesamt eine anziehende Kraft.

Die Menschen sahen also einen physikalischen Effekt, dessen Ursachen ihnen vollkommen unbekannt waren.

Es gab weder den Begriff Elektron noch eine Spannungseinheit, keine Messgeräte und keine Vorstellung von elektrischen Feldern.

1600 – William Gilbert trennt Elektrizität und Magnetismus

Ein wichtiger Fortschritt gelang dem englischen Arzt und Naturforscher William Gilbert.

In seinem Werk De Magnete aus dem Jahr 1600 untersuchte er systematisch magnetische und elektrische Erscheinungen.

Er erkannte unter anderem, dass die Anziehung durch geriebenen Bernstein nicht einfach dasselbe Phänomen war wie die Anziehung durch einen Magneten.

Aus dem griechischen Wort elektron, das Bernstein bezeichnet, entwickelte sich die Bezeichnung für elektrische Erscheinungen.

Das war ein wesentlicher Schritt: Elektrizität wurde von einer merkwürdigen Naturbeobachtung zu einem eigenen wissenschaftlichen Forschungsgebiet.

2. Wie baut man eine Maschine, die Elektrizität erzeugt?

Etwa 1660–1730

Die frühen Forscher hatten ein ganz praktisches Problem.

Wenn sie Bernstein mit Wolle rieben, entstand zwar eine elektrische Aufladung. Diese war aber klein, schlecht reproduzierbar und verschwand durch Feuchtigkeit oder Berührung häufig wieder.

Sie benötigten eine Möglichkeit, wesentlich größere Ladungsmengen zu erzeugen.

Otto von Guericke und die Schwefelkugel

Um 1660 experimentierte Otto von Guericke mit einer Kugel aus Schwefel.

Sein Aufbau war erstaunlich einfach:

Er stellte eine feste Schwefelkugel her, befestigte sie an einer Achse und versetzte sie in Drehung. Durch Reibung konnte sich die Oberfläche elektrisch aufladen.

Das hatte gegenüber einem geriebenen Bernsteinstück mehrere Vorteile: Eine relativ große Oberfläche ließ sich wiederholt bearbeiten, und elektrische Effekte konnten mehrfach vorgeführt werden.

Um 1700 entwickelte Francis Hauksbee das Prinzip mit rotierenden Glaskugeln weiter. Solche Apparate waren wichtige Vorläufer der elektrostatischen Reibungsmaschinen des 18. Jahrhunderts.

War das schon ein Generator?

Ja – allerdings kein Generator wie unsere heutigen Lichtmaschinen.

Die Reibungsmaschine wandelte mechanische Arbeit in eine elektrische Ladungstrennung um.

Sie konnte erhebliche Spannungsdifferenzen aufbauen. Aber sie konnte nicht ohne Weiteres dauerhaft einen größeren Strom durch einen Verbraucher liefern.

Hier müssen wir zum ersten Mal zwei Begriffe auseinanderhalten:

Elektrische Spannung (U) beschreibt die elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten. Sie gibt an, wie viel Energie pro Ladungseinheit übertragen werden kann.

Dabei steht W für die Energie und Q für die elektrische Ladung.

Elektrischer Strom (I) beschreibt, wie viel elektrische Ladung pro Zeit durch einen Querschnitt fließt.

Eine Reibungsmaschine konnte eine hohe Spannung erzeugen und dennoch nur sehr geringe Ladungsmengen pro Zeit transportieren.

Das ist der Grund, weshalb man mit solchen Maschinen eindrucksvolle Funken erzeugen konnte, aber noch keinen brauchbaren Elektromotor betreiben konnte.

1729 – Die Entdeckung von Leitern und Isolatoren

Der Engländer Stephen Gray zeigte, dass elektrische Wirkungen über bestimmte Materialien über größere Entfernungen weitergegeben werden konnten, während andere Materialien dies verhinderten.

Damit begann die systematische Unterscheidung zwischen elektrischen Leitern und Isolatoren.

1733 zeigte Charles François de Cisternay du Fay außerdem, dass es zwei Arten elektrischer Aufladung gibt. Er bezeichnete sie als glasartige und harzartige Elektrizität – die historischen Vorläufer unserer positiven und negativen Ladung.

Das klingt heute selbstverständlich. Damals war es revolutionär.

Denn erstmals verstand man, dass Elektrizität nicht nur an dem Körper auftreten musste, an dem man gerade rieb. Man konnte Ladung räumlich übertragen und unterschiedliche elektrische Zustände experimentell vergleichen.

Damit war der Weg zur nächsten großen Erfindung frei.

3. Die Geburt des Kondensators – eine Flasche, die Elektrizität festhalten konnte

1745–1746 · Ewald Georg von Kleist und Pieter van Musschenbroek

Jetzt kommen wir zum ersten Bauteil, das wir mit einiger Berechtigung als direkten Vorfahren eines modernen elektronischen Bauelements bezeichnen können.

Bis dahin konnte man elektrische Ladung erzeugen und auf Gegenstände übertragen. Aber die Ladung kontrolliert zu sammeln und später wieder abzugeben, war schwierig.

Die entscheidende Frage lautete:

Kann man elektrische Ladung in einem Gefäß aufbewahren, so wie Wasser in einer Flasche?

Das war die damalige Vorstellung. Man dachte bei Elektrizität häufig an eine Art unsichtbare Flüssigkeit.

3.1 Der erste Versuchsaufbau

1745 gelang Ewald Georg von Kleist in Pommern ein entscheidendes Experiment. Unabhängig davon entwickelte der Forscherkreis um Pieter van Musschenbroek in Leiden 1745/1746 einen ähnlichen Aufbau.

Die Erfindung wurde als Leidener Flasche bekannt.

Historische Leidener Flaschen. Sie sind die unmittelbaren Vorfahren heutiger Kondensatoren.

Die frühe Bauform bestand aus einer Glasflasche, die teilweise mit Wasser gefüllt war. Durch einen Verschluss führte ein leitender Draht in das Wasser.

Die Experimentatoren verbanden diesen Draht mit einer Reibungselektrisiermaschine.

Nun geschah etwas Bemerkenswertes: Die Flasche ließ sich elektrisch aufladen und später wieder entladen. Bei Berührung der entsprechenden leitenden Teile konnten kräftige elektrische Schläge entstehen.

Solche Entladungen waren für die Forscher ebenso beeindruckend wie gefährlich.

3.2 Der entscheidende Teil war gar nicht das Wasser

Das ist der wirklich interessante Punkt.

Man vermutete zunächst, dass die elektrische Wirkung hauptsächlich im Wasser gespeichert würde.

Tatsächlich spielte das Glas die entscheidende Rolle.

Betrachten wir den später verbesserten Aufbau.

Die Metallbeläge liegen an gegenüberliegenden Seiten des Glases. Die gezeigte Polarität ist nur ein Beispiel.

Die späteren Leidener Flaschen besaßen innen und außen leitende Metallfolien. Das Glas befand sich dazwischen und verhinderte den direkten Ladungsaustausch.

Damit hatten die Forscher – ohne es in heutiger Sprache zu wissen – einen Kondensator gebaut.

3.3 Was passiert beim Laden, Schritt für Schritt?

Stellen wir uns eine Leidener Flasche mit zwei Metallbelägen vor.

Ausgangszustand: Beide Metallbeläge sind insgesamt elektrisch neutral.

Erster Vorgang: Eine Elektrisiermaschine transportiert Ladung zu einem der Beläge. Nehmen wir an, dieser erhält einen Elektronenüberschuss.

Zweiter Vorgang: Der andere Belag ist mit der Erde verbunden. Durch das elektrische Feld werden Ladungen umverteilt, sodass auf diesem Belag ein Elektronenmangel entsteht.

Dritter Vorgang: Zwischen beiden Metallbelägen bildet sich ein elektrisches Feld aus.

Vierter Vorgang: Das Glas verhindert unter normalen Bedingungen, dass Ladungsträger einfach von einer Metallfläche zur anderen gelangen.

Fünfter Vorgang: Trennt man die Flasche von der Ladeeinrichtung, kann der elektrische Zustand eine gewisse Zeit erhalten bleiben.

Sechster Vorgang: Verbindet man die beiden Beläge über einen leitenden Weg, gleichen sich die Ladungen aus. Dabei wird die zuvor gespeicherte Feldenergie frei.

Und hier liegt ein besonders wichtiger physikalischer Zusammenhang:

Die elektrische Energie ist im elektrischen Feld gespeichert, nicht als eine Art elektrische Flüssigkeit im Glas.

Das Glas ist ein Dielektrikum. Es beeinflusst das elektrische Feld und damit die mögliche Ladungsspeicherung.

3.4 Warum macht Glas den Kondensator besser?

Stellen wir uns zwei Metallplatten vor, die durch einen Luftspalt getrennt sind.

Wir legen eine Spannung an. Zwischen den Platten entsteht ein elektrisches Feld.

Schieben wir nun eine geeignete Glasplatte zwischen die Metallplatten, kann der Aufbau bei gleicher Spannung mehr Ladung aufnehmen.

Das liegt daran, dass das elektrische Feld die gebundenen Ladungen innerhalb des Glases geringfügig verschiebt. Die Moleküle beziehungsweise ihre elektrischen Ladungsverteilungen werden polarisiert.

Die dadurch entstehende Polarisationswirkung verändert die elektrische Feldverteilung.

Für einen idealisierten Plattenkondensator gilt:

Dabei bedeuten:

Wir können daraus sofort drei konstruktive Erkenntnisse ableiten.

Eine größere Metallfläche erhöht die Kapazität. Ein kleinerer Abstand erhöht ebenfalls die Kapazität. Ein Dielektrikum mit höherer relativer Permittivität erhöht die Kapazität bei ansonsten identischem Aufbau.

Genau diese Überlegungen bestimmen noch heute die Entwicklung von Folien-, Keramik- und anderen Kondensatoren.

3.5 Warum trägt der Kondensator die Einheit Farad?

Weil Michael Faraday im 19. Jahrhundert wichtige Beiträge zum Verständnis der elektrischen Felder und der dielektrischen Stoffe leistete.

Der Begriff Dielektrikum und die Untersuchung des Einflusses des Isoliermaterials sind eng mit seiner Arbeit verbunden.

Die Kapazität ist definiert durch:

Ein Farad bedeutet: Pro Volt Spannungsdifferenz speichert der Kondensator betragsmäßig ein Coulomb Ladung auf einer seiner Elektroden.

Historische Leidener Flaschen besaßen typischerweise viel kleinere Kapazitäten. Trotzdem konnten sie wegen der hohen Spannungen beeindruckende Entladungen hervorrufen.

Denn die gespeicherte Energie lautet:

Beachte das Quadrat der Spannung.

Verdoppeln wir bei gleicher Kapazität die Spannung, vervierfacht sich die gespeicherte Energie.

Damit erklärt sich, warum schon kleine historische Kondensatoren gefährliche elektrische Entladungen erzeugen konnten.

3.6 Von der Glasflasche zum modernen Kondensator

Die Weiterentwicklung bestand vor allem darin, möglichst viel wirksame Fläche auf kleinstem Raum unterzubringen.

Bei einem Folienkondensator werden dünne Metallbeläge und isolierende Kunststofffolien geschichtet oder aufgewickelt.

Bei einem Keramikkondensator liegen leitende Elektrodenschichten und keramische Dielektrika abwechselnd übereinander.

Bei einem Aluminium-Elektrolytkondensator dient eine extrem dünne Aluminiumoxidschicht als Dielektrikum. Dadurch lassen sich trotz kleiner Baugröße relativ große Kapazitäten erreichen.

Das Prinzip ist in allen Fällen verwandt:

Zwei leitende Bereiche werden durch ein elektrisch isolierendes Dielektrikum getrennt.

Der fundamentale Aufbau aus dem Jahr 1745 steckt also immer noch in modernen Kondensatoren.

4. Die Erfindung der Batterie – plötzlich gab es dauerhaft fließenden Strom

Etwa 1780–1800 · Luigi Galvani und Alessandro Volta

Die Leidener Flasche war großartig, hatte aber ein entscheidendes Problem.

Sie konnte gespeicherte elektrische Energie nur begrenzt abgeben. War sie entladen, musste sie erneut aufgeladen werden.

Die Forscher konnten damit einen Funken erzeugen, aber keine kontinuierlich laufende elektrische Maschine betreiben.

Man benötigte eine Spannungsquelle, die über längere Zeit Ladungen durch einen geschlossenen Stromkreis bewegen konnte.

Die Lösung entstand aus Experimenten mit Tiergewebe und Metallen.

4.1 Luigi Galvani und die zuckenden Froschschenkel

Luigi Galvani untersuchte im späten 18. Jahrhundert die Wirkung elektrischer Erscheinungen auf Muskeln und Nerven.

Bei seinen Experimenten beobachtete er, dass präparierte Froschschenkel unter bestimmten Bedingungen zuckten, wenn elektrische Verbindungen hergestellt wurden.

Besonders spannend waren Beobachtungen, bei denen unterschiedliche Metalle beteiligt waren.

Galvani vermutete, dass im tierischen Gewebe eine eigene Form von Elektrizität vorhanden sei.

Diese Überlegung war nicht vollständig falsch: Lebende Nerven- und Muskelzellen besitzen tatsächlich elektrische Membranpotenziale.

Doch für bestimmte seiner metallischen Versuchsanordnungen gab es zusätzlich einen anderen Effekt.

4.2 Alessandro Volta stellt die entscheidende Frage

Alessandro Volta untersuchte, welche Rolle die unterschiedlichen Metalle und die feuchte Verbindung spielten.

Dabei entwickelte sich die Idee, dass die Kombination geeigneter Metalle und eines feuchten leitfähigen Mediums einen elektrischen Effekt erzeugen konnte, auch ohne Tiergewebe.

Er experimentierte mit Metallplatten und elektrolytisch leitenden Zwischenlagen.

Im Jahr 1800 stellte er seine berühmte Voltasche Säule vor – den unmittelbaren Vorläufer der modernen Batterie.

Die Voltasche Säule bestand aus wiederholten Metall-Elektrolyt-Anordnungen. Historische Nachbauten zeigen den charakteristischen Stapel.

4.3 Wie war die erste Batterie aufgebaut?

Ein typischer Aufbau bestand aus Kupfer- und Zinkscheiben, zwischen denen sich mit einer leitfähigen Flüssigkeit getränkte Stoff- oder Papierschichten befanden.

Die einzelnen elektrochemischen Einheiten wurden zu einem Stapel angeordnet.

Stellen wir uns den Aufbau stark vereinfacht als sich wiederholende Folge vor:

Prinzipielle Folge elektrochemischer Einheiten. In einem realen Stapel bestimmt die korrekte Orientierung der Metallkontakte und Elektrolytschichten die Reihenschaltung.

Wenn Volta mehrere solcher Einheiten hintereinander anordnete, addierten sich deren Spannungen.

Das ist die Grundlage der Reihenschaltung von Batteriezellen.

4.4 Aber woher kommt die elektrische Spannung?

Hier wird die Geschichte besonders interessant.

Heute wissen wir, dass eine Batterie chemische Energie in elektrische Energie umwandelt.

Betrachten wir als klar definiertes Beispiel eine spätere Zink-Kupfer-Zelle mit geeigneten Elektrolyten, die sogenannte Daniell-Zelle.

Am Zink laufen Oxidationsprozesse ab.

Das bedeutet: Ein Zinkatom gibt zwei Elektronen ab und wird zu einem positiv geladenen Zinkion.

Die Elektronen können über einen angeschlossenen äußeren Leiter zum anderen Elektrodenbereich gelangen.

In einer Daniell-Zelle nehmen Kupferionen dort Elektronen auf:

Zusammen ergibt sich:

Chemische Reaktionsenergie kann dadurch als elektrische Energie an einen Verbraucher abgegeben werden.

Wichtig: Das ist die Reaktionsbeschreibung der Daniell-Zelle, nicht die exakte Reaktion der ursprünglichen Voltaschen Säule. Bei dieser hängen die Reaktionen insbesondere vom Elektrolyten ab; unter anderem können Wasserstoffentwicklung und weitere Elektrodenreaktionen auftreten.

Die ursprüngliche Erklärung Voltas betonte den Kontakt unterschiedlicher Metalle. Erst die spätere Elektrochemie machte die chemischen Zusammenhänge umfassender verständlich.

4.5 Warum war die Batterie so viel bedeutender als die Leidener Flasche?

Der entscheidende Unterschied war nicht nur die Spannung.

Es war die Fähigkeit, elektrische Energie fortlaufend nachzuliefern, solange die elektrochemischen Reaktionen ausreichend ablaufen konnten.

Eine Batterie ist übrigens nicht unendlich leistungsfähig. Ihr Strom wird unter anderem durch den Innenwiderstand, die Reaktionskinetik und den Stofftransport begrenzt.

Aber erstmals konnten die Forscher vergleichsweise gleichmäßige elektrische Ströme für ihre Versuche nutzen.

Das veränderte die gesamte Wissenschaft.

Schon 1800 verwendeten William Nicholson und Anthony Carlisle eine Voltasche Säule zur elektrolytischen Zerlegung von Wasser.

4.6 Die Daniell-Zelle von 1836

Bei den frühen Batterien gab es ein praktisches Problem: Im Betrieb entstanden beispielsweise Gasblasen an Elektroden, wodurch sich die Stromabgabe und die Klemmenspannung verschlechterten.

1836 entwickelte John Frederic Daniell eine verbesserte galvanische Zelle mit getrennten Elektrolyten.

Sie lieferte eine für damalige Verhältnisse bemerkenswert konstante Spannung von ungefähr 1,1 Volt.

Diese Entwicklung war besonders für die später aufkommende Telegrafie wichtig: Telegrafenanlagen benötigten über längere Zeit möglichst verlässlich arbeitende elektrische Quellen.

Ohne die Batterie wäre die Geschichte der Spule höchstwahrscheinlich völlig anders verlaufen.

Denn erst durch dauerhaft fließende Ströme konnten die Forscher den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus systematisch untersuchen.

5. Die Entstehung der elektrischen Spule – warum wickelte plötzlich jemand Draht auf?

1820–1831 · Ørsted, Ampère, Schweigger, Sturgeon und Henry

Kommen wir zu einem der interessantesten Kapitel der gesamten Elektrotechnik.

Die Spule entstand nicht, weil jemand ein Bauteil mit einer bestimmten Induktivität entwickeln wollte.

Der Ausgangspunkt war viel grundlegender:

Ein elektrischer Strom konnte offenbar einen Magneten beeinflussen. Aber wie und warum?

5.1 Die Ausgangssituation im Jahr 1820

Die Wissenschaft kannte zu dieser Zeit bereits zwei unterschiedliche Phänomene.

Auf der einen Seite gab es die Elektrizität: Reibungselektrizität, Funken, geladene Flaschen und inzwischen Batterien.

Auf der anderen Seite gab es den Magnetismus: Magnete zogen Eisen an, und Magnetnadeln richteten sich im Erdmagnetfeld aus.

Dass diese beiden Erscheinungen unmittelbar zusammenhängen, war nicht experimentell gesichert.

Das änderte der dänische Physiker Hans Christian Ørsted im Jahr 1820.

5.2 Ørsteds entscheidendes Experiment

Sein Versuch war geradezu erschreckend einfach.

Er nahm eine Stromquelle, einen metallischen Leiter und eine Magnetnadel beziehungsweise einen Kompass.

Den Draht platzierte er in der Nähe des Kompasses.

Dann schloss er den elektrischen Stromkreis.

Die Magnetnadel wurde abgelenkt.

Wurde der Strom unterbrochen, verschwand diese zusätzliche magnetische Wirkung.

Wurde die Stromrichtung umgekehrt, kehrte sich auch die Richtung der magnetischen Ablenkung um.

Der Forscher hatte gezeigt, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld hervorruft.

5.3 Warum erzeugt ein gerader Draht ein Magnetfeld?

Heute wissen wir: Um einen stromdurchflossenen geraden Leiter entstehen kreisförmig verlaufende magnetische Feldlinien.

Mit der rechten Hand kann man sich ihre Richtung merken.

Zeigt der Daumen in die technische Stromrichtung, so zeigen die gekrümmten Finger die Richtung des Magnetfelds an.

Für einen idealisierten, sehr langen geraden Leiter gilt:

Hierbei ist B die magnetische Flussdichte, I der Strom und r der Abstand vom Leiter.

Die Formel zeigt uns:

Bei größerem Strom wird das Magnetfeld stärker. Bei größerem Abstand wird es schwächer.

Die Forscher von 1820 besaßen diese heutige Formulierung noch nicht vollständig. Aber sie konnten den Effekt messen.

5.4 Der erste entscheidende Gedanke: Warum nicht mehrere Drähte?

Jetzt folgt der gedankliche Schritt, aus dem die Spule hervorging.

Wenn ein einzelner Draht eine Magnetnadel ablenken kann, müsste man die Wirkung doch verstärken können, indem man den Draht mehrfach in die Nähe der Nadel bringt.

Natürlich könnte man viele einzelne Drähte nebeneinanderlegen und durch jeden einen Strom schicken.

Aber dazu wären mehrere elektrische Verbindungen erforderlich.

Einfacher wäre es, denselben Draht mehrfach um die Magnetnadel herumzuführen.

Und genau damit hat man bereits eine Spule.

Im Jahr 1820 entstanden solche aufgewickelten Leiter im Zusammenhang mit den Arbeiten von André-Marie Ampère und Johann Schweigger.

Schweigger entwickelte einen sogenannten Multiplikator, einen Vorläufer des Galvanometers. Die mehrfachen Windungen verstärkten die magnetische Wirkung kleiner Ströme auf eine Magnetnadel.

5.5 Warum verstärken Windungen das Magnetfeld?

Betrachten wir eine einzelne kreisförmige Drahtwindung.

Fließt Strom hindurch, erzeugt jedes kleine Stück dieses Drahtes ein Magnetfeld.

Im Inneren der Windung überlagern sich die Feldbeiträge so, dass eine gemeinsame magnetische Feldrichtung entsteht.

Legen wir eine zweite Windung direkt daneben und schicken denselben Strom in derselben Umlaufrichtung hindurch, verstärken sich die magnetischen Wirkungen.

Bei vielen eng beieinanderliegenden Windungen entsteht das charakteristische Magnetfeld einer Zylinderspule.

Für eine idealisierte lange Luftspule gilt näherungsweise:

Hier bedeutet N die Windungszahl und l die Länge der Spule.

Wenn wir also bei gleicher Länge und gleichem Strom die Windungszahl verdoppeln, verdoppelt sich in dieser Näherung die magnetische Flussdichte im Inneren.

Allerdings setzt das eine geeignete Geometrie voraus, und in realen Spulen beeinflussen unter anderem Streufelder, der Wicklungsaufbau und gegebenenfalls die magnetische Sättigung des Kerns das Ergebnis.

5.6 Warum mussten die Drähte isoliert werden?

Hier entstand eines der wichtigsten technischen Probleme der frühen Spulenentwicklung.

Stellen wir uns vor, wir wickeln einen blanken Kupferdraht hundertmal dicht nebeneinander auf einen Eisenstab.

Wenn benachbarte Drahtwindungen metallischen Kontakt bekommen, kann der Strom kürzere Wege durch die Wicklung nehmen.

Ein Teil der Windungen wird dadurch elektrisch überbrückt.

Die erhoffte Vervielfachung der magnetischen Wirkung bleibt aus oder fällt geringer aus.

Man benötigt also einen Draht, der auf seiner Außenseite elektrisch isoliert ist.

Heute verwenden wir Kupferlackdraht. Die sehr dünne Lackschicht verhindert den elektrischen Kontakt zwischen benachbarten Windungen.

Im frühen 19. Jahrhundert musste man sich mit den damals verfügbaren Stoffen behelfen: Baumwolle, Seide, Lacke und andere isolierende Beschichtungen.

Die Möglichkeit, viele eng beieinanderliegende, aber elektrisch getrennte Windungen herzustellen, war eine wesentliche Voraussetzung für leistungsfähige Elektromagnete.

5.7 William Sturgeon baut 1825 einen Elektromagneten

Der englische Forscher William Sturgeon erkannte das Potenzial eines Eisenkerns.

Er wickelte einen Leiter um einen Eisenkörper und ließ elektrischen Strom durch diesen Leiter fließen.

Der Eisenkörper wurde magnetisiert und konnte andere Eisenstücke anziehen.

Das war ein früher praktisch nutzbarer Elektromagnet.

Anders als bei einem Permanentmagneten ließ sich seine magnetische Wirkung durch Ein- und Ausschalten des elektrischen Stroms kontrollieren.

Das öffnete den Weg zu elektrischen Schaltern, Relais, Maschinen und später Telegrafen.

5.8 Warum hilft ein Eisenkern überhaupt?

Einfach ausgedrückt besteht ferromagnetisches Eisen aus vielen Bereichen, in denen die magnetischen Momente der Atome eine gemeinsame Orientierung besitzen können.

Diese Bereiche werden magnetische Domänen oder Weißsche Bezirke genannt.

Ohne äußeres Magnetfeld können sie unterschiedlich orientiert sein, sodass die makroskopische Magnetisierung relativ klein ausfällt.

Das Magnetfeld der Spule verändert diese Domänenstruktur.

Viele magnetische Momente richten sich bevorzugt entlang des angelegten Feldes aus, und die magnetische Flussdichte im Kern kann dadurch stark ansteigen.

Eisen ist allerdings nicht beliebig magnetisierbar. Ab einem bestimmten Punkt beginnt die magnetische Sättigung.

Das erklärt, warum ein Eisenkern eine Spule dramatisch verstärken kann, aber kein unbegrenzt stärkeres Magnetfeld ermöglicht.

5.9 Joseph Henry verbessert die Spule

Der amerikanische Wissenschaftler Joseph Henry entwickelte in den späten 1820er- und frühen 1830er-Jahren leistungsfähigere Elektromagnete.

Er verwendete viele isolierte Windungen und untersuchte systematisch, wie Windungszahl, Drahtlänge und die Art der Stromquelle zusammenwirkten.

Eine seiner wichtigen Erkenntnisse war, dass unterschiedliche Wicklungsausführungen unterschiedlich gut zu bestimmten Batterien passten.

Das hing unter anderem mit dem elektrischen Widerstand zusammen.

Henry konnte Elektromagnete bauen, deren Tragkraft die früherer Konstruktionen um ein Vielfaches übertraf. Bereits 1831 berichtete er von einem Magneten mit einer Hebekraft von etwa 750 englischen Pfund.

Hier sehen wir bereits den Übergang von der reinen Entdeckung zum Ingenieurwesen.

Es reichte nicht mehr aus, einfach irgendeinen Draht um irgendeinen Eisenkern zu wickeln.

Man musste die Konstruktion optimieren.

Wie viele Windungen? Welcher Drahtquerschnitt? Wie groß der Kern? Wie hoch der Strom? Wie stark erwärmt sich die Wicklung?

Das sind im Kern dieselben Fragen, mit denen wir uns bei heutigen Elektromagneten, Transformatoren und Lautsprecherspulen beschäftigen.

6. Der zweite große Durchbruch – die Spule erzeugt selbst eine Spannung

1831–1832 · Michael Faraday und Joseph Henry

Bis hierhin hatte man vor allem eine Eigenschaft der Spule genutzt:

Fließt elektrischer Strom durch eine Wicklung, entsteht ein Magnetfeld.

Doch es gab noch einen völlig anderen Effekt zu entdecken.

Was passiert, wenn sich dieses Magnetfeld verändert?

6.1 Faradays berühmter Eisenring von 1831

Im August 1831 führte Michael Faraday eine Reihe von Versuchen mit einem Eisenring durch.

Er wickelte auf gegenüberliegenden Bereichen des Rings elektrisch voneinander isolierte Kupferdrähte auf.

Die eine Wicklung verband er mit einer Batterie. Die andere mit einem Messgerät, das kleine elektrische Ströme anzeigen konnte.

Faradays historischer Induktionsring von 1831. Die Royal Institution bewahrt das originale Experimentiergerät auf.

Am 29. August 1831 beobachtete Faraday die entscheidende Wirkung.

Beim Einschalten des Stroms in der ersten Wicklung zeigte das Messgerät der zweiten Wicklung kurzzeitig eine Reaktion.

Danach verschwand die Anzeige wieder.

Beim Unterbrechen des Stroms trat erneut ein kurzer Ausschlag auf, diesmal mit umgekehrter Richtung.

Das war bemerkenswert, denn die beiden Wicklungen waren elektrisch nicht miteinander verbunden.

Das Eisen übertrug keine Elektronen von einer Wicklung zur anderen.

Stattdessen koppelte es ihre Magnetfelder.

6.2 Warum entstand beim Einschalten ein Strom?

Gehen wir den Versuch gedanklich langsam durch.

Zunächst sind Batterie und erste Wicklung getrennt.

In der zweiten Wicklung fließt kein Strom. Das Messgerät zeigt keinen Ausschlag.

Nun schließt Faraday den ersten Stromkreis.

Der Strom in der ersten Wicklung steigt an. Damit baut sich ein Magnetfeld im Eisenring auf.

Der magnetische Fluss durch die zweite Wicklung verändert sich.

Diese Flussänderung erzeugt eine Induktionsspannung in der zweiten Wicklung.

Weil dort ein geschlossener Stromkreis über das Messgerät vorhanden ist, fließt kurzzeitig ein Strom.

Sobald der Strom in der ersten Wicklung konstant geworden ist und der magnetische Fluss sich nicht weiter verändert, verschwindet die Induktionsspannung wieder.

Das war das entscheidende Prinzip:

Nicht das bloße Vorhandensein eines Magnetfelds induziert eine Spannung, sondern die zeitliche Änderung des mit der Wicklung verketteten magnetischen Flusses.

6.3 Warum entstand beim Ausschalten die entgegengesetzte Wirkung?

Beim Einschalten nimmt der magnetische Fluss zu.

Beim Ausschalten nimmt er ab.

Die induzierte Spannung hat bei diesen beiden Vorgängen eine entgegengesetzte Polarität.

Mathematisch beschreiben wir das mit dem Faradayschen Induktionsgesetz:

Dabei ist:

Das Minuszeichen kennzeichnet die durch die Lenzsche Regel bestimmte Wirkungsrichtung.

Bei der Induktion ist die Wirkung so gerichtet, dass sie der verursachenden Flussänderung entgegenwirkt.

Das wird später besonders wichtig, wenn wir verstehen wollen, warum eine Spule eine schnelle Stromänderung behindert.

6.4 Warum war das bereits das Prinzip des Transformators?

Faradays Eisenring bestand aus zwei magnetisch gekoppelten Wicklungen.

Die erste Wicklung wurde durch eine Stromquelle gespeist. In der zweiten Wicklung entstand durch die Veränderung des magnetischen Flusses eine Spannung.

Genau das ist das Grundprinzip eines Transformators.

Bei Faradays Versuch gab es allerdings keine kontinuierliche Wechselspannung.

Die Batterie lieferte Gleichspannung, und nur während der Ein- beziehungsweise Ausschaltvorgänge traten Induktionsimpulse auf.

Erst mit zeitlich veränderlichen Strom- und Spannungssignalen, insbesondere Wechselstrom, lässt sich ein Transformator fortlaufend betreiben.

Faradays Ring war daher ein experimenteller Vorläufer des Transformators, aber noch kein praxisgerechter Netztransformator.

6.5 Joseph Henry entdeckt die Selbstinduktion

Ungefähr zur selben Zeit beschäftigte sich Joseph Henry ebenfalls mit elektromagnetischer Induktion.

Bei seinen Experimenten mit langen Drähten und Elektromagneten beobachtete er Effekte beim Unterbrechen von Stromkreisen, darunter elektrische Funken.

Er untersuchte die Erscheinung, dass eine Wicklung durch die Änderung ihres eigenen Magnetfeldes eine Spannung in sich selbst erzeugen kann.

Das nennen wir Selbstinduktion.

Henry veröffentlichte entsprechende Ergebnisse 1832. Faraday und Henry haben sich in verwandten Teilgebieten der elektromagnetischen Induktion unabhängig voneinander wichtige Erkenntnisse erarbeitet.

Damit war der physikalische Grundstein für die moderne Induktivität gelegt.

6.6 Was ist Induktivität eigentlich?

Jetzt verlassen wir für einen Moment die Geschichte und betrachten die Bedeutung dieser Entdeckung.

Bei einer Spule erzeugt der elektrische Strom ein Magnetfeld.

Ändert sich der Strom, verändert sich auch der magnetische Fluss.

Diese Änderung erzeugt wiederum eine induzierte Spannung.

Für eine ideale lineare Spule gilt mit der passiven Vorzeichenkonvention:

Die Induktivität L beschreibt, wie stark eine gegebene zeitliche Stromänderung mit einer Spannung verknüpft ist.

Die Einheit ist Henry (H), benannt nach Joseph Henry.

Ein Henry bedeutet: Eine Stromänderung von einem Ampere pro Sekunde ist bei einer idealen Spule mit einer Spannung von einem Volt verknüpft.

6.7 Warum widersetzt sich eine Spule schnellen Stromänderungen?

Nehmen wir eine ideale Spule mit einer Induktivität von 1 H.

Wir möchten ihren Strom innerhalb einer Sekunde um 1 A erhöhen.

Dann benötigen wir gemäß

bei konstanter Stromanstiegsrate eine Spannung von 1 V.

Möchten wir dieselbe Stromänderung innerhalb einer Zehntelsekunde bewirken, beträgt die benötigte Spannung bereits 10 V.

Und bei einer Hundertstelsekunde wären es 100 V.

Die Aussage ist grundlegend:

Je schneller sich der Strom ändern soll, desto größere Spannungen sind bei gleicher Induktivität erforderlich.

Eine ideale Spule verhindert aber keineswegs jeden Stromfluss.

Bei konstantem Gleichstrom ist ihre induktive Spannung nach Abschluss des Einschwingvorgangs null. Eine reale Spule besitzt zusätzlich den ohmschen Widerstand ihres Wicklungsdrahts.

6.8 Wo bleibt die Energie?

Beim Aufbau des Stroms entsteht ein magnetisches Feld.

Die Stromquelle muss Energie aufbringen, um dieses Feld aufzubauen.

Die gespeicherte Energie einer idealen linearen Spule lautet:

Der Zusammenhang sieht auffallend ähnlich aus wie beim Kondensator.

Kondensator:

Spule:

Das ist kein Zufall.

Beide Bauteile können Energie in elektromagnetischen Feldern speichern.

Der Kondensator vorwiegend im elektrischen Feld, die Spule vorwiegend im magnetischen Feld.

Sie funktionieren allerdings auf sehr unterschiedliche Weise und reagieren deshalb bei Wechselspannung beinahe gegensätzlich.

7. Aus der Spule wird ein Generator – mechanische Bewegung erzeugt Elektrizität

1831 und die folgenden Jahrzehnte

Faraday hatte mit der elektromagnetischen Induktion etwas außerordentlich Wichtiges entdeckt.

Bisher hatte man elektrische Energie benötigt, um ein Magnetfeld zu erzeugen.

Jetzt war der umgekehrte Weg möglich: Durch die Veränderung eines Magnetfeldes konnte man elektrische Spannung erzeugen.

7.1 Das Experiment mit einem bewegten Magneten

Wir nehmen eine Drahtspule und schließen ihre beiden Enden an ein empfindliches Messgerät an.

Dann bewegen wir einen Stabmagneten auf die Spule zu.

Der magnetische Fluss durch die Windungen verändert sich und eine Induktionsspannung entsteht.

Schieben wir den Magneten in die Spule hinein, zeigt das Messgerät einen Ausschlag.

Halten wir den Magneten still, verschwindet der Ausschlag wieder.

Ziehen wir den Magneten zurück, entsteht eine Induktionsspannung mit umgekehrter Polarität.

Das ist der Grundgedanke des elektromagnetischen Generators.

Faraday führte 1831 auch entsprechende Versuche mit bewegten Magneten durch. Im Oktober desselben Jahres gelang ihm mit einer rotierenden leitenden Scheibe in einem Magnetfeld die Erzeugung eines kontinuierlichen Induktionsstroms – ein früher Dynamo nach dem homopolaren Prinzip.

Faradays früher Induktionsgenerator: ein beweglicher Magnet und eine Drahtwicklung.

7.2 Was unterscheidet Batterie und Generator?

Beide können an ihren Klemmen eine Spannung bereitstellen.

Aber die Herkunft der Energie unterscheidet sich grundlegend.

Eine Batterie wandelt chemische Energie um.

Ein elektromagnetischer Generator wandelt mechanische Arbeit um.

Bei einem Windkraftgenerator stammt die mechanische Arbeit aus der Bewegung der Luft. Bei einem Wasserkraftwerk aus strömendem Wasser. Bei einem konventionellen Kraftwerk treibt eine Wärmekraftmaschine den Generator an.

Der Generator selbst erzeugt keine Energie aus dem Nichts.

Er wandelt eine vorhandene Energieform um.

7.3 Warum erzeugen viele Generatoren Wechselspannung?

Betrachten wir eine Leiterschleife, die sich gleichmäßig in einem Magnetfeld dreht.

Während der Drehung verändert sich der magnetische Fluss durch die Schleife.

Bei einer idealisierten Anordnung kann man diesen Fluss schreiben als:

Dabei bezeichnet B die magnetische Flussdichte, A die Schleifenfläche und ω die Winkelgeschwindigkeit.

Nach dem Induktionsgesetz folgt für N identische Windungen:

Daraus erhalten wir:

Die erzeugte Spannung ist sinusförmig.

Sie wechselt periodisch ihre Polarität.

Damit haben wir das Grundprinzip vieler Wechselstromgeneratoren hergeleitet.

Es ist bemerkenswert: Die elektrische Energieversorgung moderner Städte beruht im Wesentlichen immer noch auf dem Induktionsprinzip von 1831.

8. Die Entstehung der Widerstände – warum ein Draht den Strom begrenzt

Besonders ab 1826/1827 · Georg Simon Ohm

Ein Widerstand ist auf den ersten Blick ein viel unspektakuläreres Bauteil als ein Kondensator oder eine Spule.

Er besteht häufig einfach aus einem Material, durch das elektrischer Strom fließt und dabei Energie in Wärme umgewandelt wird.

Doch seine Geschichte ist ebenso wichtig.

8.1 Das Problem der frühen Elektrotechniker

Sobald Batterien verfügbar waren, fiel den Forschern auf, dass sich unterschiedliche Leiter sehr verschieden verhielten.

Ein langer, dünner Draht ließ bei ansonsten ähnlichen Bedingungen weniger Strom fließen als ein kurzer, dicker Draht desselben Materials.

Bestimmte Metalle funktionierten als Leiter besser als andere.

Aber welche allgemeine Gesetzmäßigkeit steckte dahinter?

8.2 Georg Simon Ohm untersucht die Zusammenhänge

Der deutsche Physiker Georg Simon Ohm führte systematische Versuche durch und veröffentlichte 1827 sein grundlegendes Werk Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet.

Für einen ohmschen Leiter bei konstanter Temperatur gilt:

Oder umgestellt:

Damit konnte man elektrische Stromkreise quantitativ berechnen.

Ohms Arbeiten waren zunächst keineswegs allgemein anerkannt. Heute gehören seine Erkenntnisse zu den Grundlagen jeder elektrotechnischen Ausbildung.

8.3 Wie wurde daraus ein richtiges Bauteil?

Man konnte gezielt einen Draht mit bekanntem Material, Durchmesser und einer bestimmten Länge herstellen.

Der Widerstand eines gleichmäßigen Leiters lässt sich näherungsweise bestimmen durch:

Hier ist ρ der spezifische elektrische Widerstand des Materials.

Daraus ergeben sich die wichtigsten Konstruktionsregeln:

Ein längerer Draht besitzt einen größeren Widerstand. Ein dickerer Draht besitzt einen kleineren Widerstand. Ein Material mit höherem spezifischem Widerstand ergibt bei gleichen Abmessungen einen größeren Widerstand.

Aus solchen Überlegungen entstanden gezielt hergestellte Widerstandselemente, Widerstandsdrahtanordnungen und verstellbare Widerstände.

Ein verstellbarer Drahtwiderstand kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass ein Schleifkontakt entlang einer Widerstandsbahn bewegt wird.

Damit verändert man die wirksame Leiterlänge.

Das ist das Grundprinzip eines Rheostaten beziehungsweise in entsprechender Beschaltung eines Potentiometers.

8.4 Ein wichtiger Unterschied zur Spule

Ein idealer ohmscher Widerstand speichert keine Energie.

Die ihm zugeführte elektrische Leistung wird in Wärme umgesetzt:

Eine ideale Spule speichert dagegen Energie im Magnetfeld, während ein idealer Kondensator Energie im elektrischen Feld speichert.

In der Praxis sind alle drei Eigenschaften oft gleichzeitig vorhanden.

Ein echter Wickeldraht besitzt beispielsweise einen elektrischen Widerstand. Wickelt man ihn zu einer Spule, besitzt der Aufbau zusätzlich eine Induktivität.

Benachbarte Windungen bilden darüber hinaus kleine parasitäre Kapazitäten.

Deshalb ist eine reale Spule immer etwas komplexer als das ideale Schaltzeichen im Elektrotechnikbuch.

9. Wie man entdeckte, dass Kondensatoren und Spulen beinahe Gegenspieler sind

Diese Erkenntnis wurde mit der Entwicklung der Wechselstromtechnik und der elektromagnetischen Feldtheorie immer bedeutender.

9.1 Der Kondensator bei Wechselspannung

Ein Kondensator benötigt Ladungsänderungen auf seinen Elektroden, wenn sich die angelegte Spannung verändert.

Daher gilt:

Ändert sich die Spannung schnell, kann bei gleicher Kapazität ein großer Strom fließen.

Für sinusförmige Signale lautet der Betrag des kapazitiven Blindwiderstands:

Bei zunehmender Frequenz sinkt der kapazitive Blindwiderstand.

Ein Kondensator lässt sich deshalb beispielsweise als frequenzabhängiges Element eines Hochpasses einsetzen.

9.2 Die Spule bei Wechselspannung

Bei der Spule ist es umgekehrt.

Eine schnellere Stromänderung erfordert eine größere Spannung.

Ihr induktiver Blindwiderstand beträgt bei sinusförmigem Strom:

Mit zunehmender Frequenz steigt der induktive Blindwiderstand.

Eine Spule eignet sich deshalb beispielsweise für einen Tiefpass.

Die Werte zeigen ideale Blindwiderstände. Die Frequenzpunkte sind zur Übersicht ausgewählt und nicht linear angeordnet.

Damit können wir nachvollziehen, wie aus zwei historischen Laborinstrumenten die zentralen passiven Filterbauteile der Audiotechnik wurden.

9.3 Und was passiert, wenn man Spule und Kondensator verbindet?

Jetzt wird es besonders spannend.

Ein geladener Kondensator enthält elektrische Feldenergie.

Verbinden wir ihn in einem geeigneten geschlossenen Stromkreis mit einer Spule, beginnt sich der Kondensator zu entladen.

Der Strom durch die Spule steigt dabei an. Mit ihm wächst das Magnetfeld.

Im idealen verlustfreien LC-Kreis erreicht der Strom seinen Maximalwert, wenn die Spannung am Kondensator gerade null geworden ist.

Die Energie befindet sich dann vollständig im Magnetfeld der Spule.

Doch der Strom kann wegen der Induktivität nicht schlagartig aufhören.

Er fließt weiter und lädt den Kondensator mit umgekehrter Polarität auf.

Anschließend läuft der Vorgang in umgekehrter Richtung ab.

Die Energie pendelt also zwischen elektrischem und magnetischem Feld hin und her.

Für einen idealen LC-Schwingkreis lautet die Eigenfrequenz:

Damit haben wir die Grundlage elektrischer Resonanzkreise.

Sie wurden später unverzichtbar für Funktechnik, Oszillatoren, Filter, Messgeräte und zahlreiche andere Anwendungen.

Und ihre Funktionsweise hängt direkt von den zwei Entdeckungen ab, die wir kennengelernt haben: der Leidener Flasche und der elektromagnetischen Induktion.

10. Die große Vereinigung – Maxwell erklärt Elektrizität und Magnetismus mathematisch

1860er-Jahre · James Clerk Maxwell

Die Forscher hatten inzwischen sehr viel beobachtet.

Elektrische Ladungen konnten Kräfte erzeugen. Elektrische Ströme verursachten Magnetfelder. Veränderungen magnetischer Felder konnten elektrische Spannungen erzeugen.

Doch diese Erkenntnisse waren zunächst durch einzelne experimentelle Gesetze beschrieben worden.

Der schottische Physiker James Clerk Maxwell gelang es, die elektrischen und magnetischen Erscheinungen in einer zusammenhängenden mathematischen Feldtheorie zu beschreiben.

Sein bedeutender Aufsatz A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field wurde 1864 vorgetragen und 1865 veröffentlicht.

Maxwells Theorie zeigte unter anderem, dass miteinander verknüpfte elektrische und magnetische Felder elektromagnetische Wellen ermöglichen.

Aus dem mathematischen Zusammenhang ergab sich eine Ausbreitungsgeschwindigkeit, die mit der damals bekannten Lichtgeschwindigkeit übereinstimmte.

Das führte zu einer unglaublichen Schlussfolgerung:

Licht selbst ist eine elektromagnetische Erscheinung.

Die Konsequenzen reichten weit über die damalige Elektrotechnik hinaus.

Später konnten elektromagnetische Wellen gezielt erzeugt und nachgewiesen werden. Daraus entwickelten sich unter anderem die Funktechnik und später der Rundfunk.

Erst damit bekamen Spulen und Kondensatoren noch eine weitere, bis heute bedeutende Aufgabe: Sie ermöglichten es, elektrische Schwingungen mit bestimmten Frequenzen zu erzeugen, auszuwählen oder zu unterdrücken.

11. Nicht nur Batterien: Wie weitere elektrische Spannungsquellen entstanden

Die Voltasche Säule war nicht die einzige Möglichkeit, elektrische Spannung bereitzustellen.

Im Laufe der Forschung entdeckte man mehrere vollkommen unterschiedliche physikalische Wege.

1775 – Spannung durch elektrostatische Influenz

Noch vor seiner Batterie beschäftigte sich Alessandro Volta mit dem sogenannten Elektrophor.

Er bestand vereinfacht aus einer aufladbaren Isolierplatte und einer beweglichen Metallplatte mit isoliertem Griff.

Eine zuvor geriebene Isolierplatte konnte eine elektrische Ladungsverteilung in der aufgesetzten Metallplatte hervorrufen.

Wurde die Metallplatte kurz geerdet und danach angehoben, konnte man eine elektrische Ladung und eine hohe Spannung gewinnen.

Durch Wiederholung ließ sich der Vorgang mehrfach nutzen, ohne die Isolierplatte jedes Mal neu reiben zu müssen.

Die dafür erforderliche mechanische Arbeit lieferte einen Teil der abgegebenen Energie. Volta popularisierte diese Technik 1775.

1821 – Spannung durch Temperaturunterschiede

Der Physiker Thomas Johann Seebeck entdeckte einen weiteren Effekt.

Besteht ein elektrischer Kreis aus geeigneten unterschiedlichen Leitermaterialien und herrschen an deren Verbindungsstellen unterschiedliche Temperaturen, kann eine thermisch erzeugte elektrische Spannung auftreten.

Das ist der Seebeck-Effekt.

Heute wird dieses Prinzip bei Thermoelementen zur Temperaturmessung genutzt. Auch thermoelektrische Generatoren beruhen darauf.

Eine chemische Batterie ist dafür nicht notwendig – die Energie stammt aus dem Wärmestrom, der durch den Temperaturunterschied ermöglicht wird.

1839 – Licht erzeugt Elektrizität

Der junge französische Wissenschaftler Alexandre-Edmond Becquerel beobachtete 1839, dass Licht bei einer geeigneten elektrochemischen Versuchsanordnung elektrische Wirkungen hervorrufen konnte.

Damit war das photovoltaische Prinzip experimentell nachgewiesen.

Die erste bekannte Selen-Solarzelle entwickelte Charles Fritts 1883. Allerdings waren solche frühen Solarzellen noch sehr ineffizient.

Erst 1954 demonstrierten die Bell Laboratories eine praktisch nutzbare Silizium-Solarzelle.

So entstanden die wichtigsten Grundfamilien elektrischer Quellen:

Der Begriff Spannungsquelle beschreibt dabei zunächst die elektrische Funktion an den Klemmen, nicht einen bestimmten inneren Aufbau.

12. Wie aus den historischen Experimenten unsere heutigen elektronischen Bauteile wurden

Die wichtigsten Zusammenhänge lassen sich an fünf heutigen Bauteilen erkennen.

13. Die gesamte Entwicklung als Zeitachse

Die Zeitachse verdeutlicht auch: Einzelne Erfindungen gingen aus vielen parallelen Beiträgen hervor. Ein historisches Datum kennzeichnet häufig eine bekannte Veröffentlichung oder Demonstration und nicht zwangsläufig den allerersten Gedanken an ein Prinzip.

14. Drei historische Experimente, die man heute noch nachvollziehen kann

Um die Entwicklung wirklich zu begreifen, würde ich die drei Grundideen nicht nur theoretisch betrachten.

Diese Versuche lassen sich mit Kleinspannung beziehungsweise ohne elektrische Versorgung nachvollziehen. Historische Hochspannungsversuche mit Leidener Flaschen oder Netzspannung sollte man dagegen nicht ungeschützt nachbauen.

15. Was ich an dieser Geschichte besonders bemerkenswert finde

Betrachten wir noch einmal die Entwicklung der Spule.

Im Jahr 1820 wickelte man einen Draht mehrfach, um die Ablenkung einer Magnetnadel zu verstärken.

Einige Jahre später wurde die Wicklung um einen Eisenkern gelegt, um einen kräftigen Elektromagneten zu erhalten.

1831 entdeckte Faraday, dass sich mit zwei solchen Wicklungen elektrische Energie durch elektromagnetische Induktion übertragen ließ.

Im selben Jahr wurden durch die Veränderung magnetischer Felder auch Grundlagen für elektrische Generatoren geschaffen.

Und später nutzte man dieselbe physikalische Eigenschaft einer Spule, um unerwünschte hochfrequente Ströme in elektrischen Schaltungen abzuschwächen.

Ein und derselbe einfache Aufbau – ein gewickelter Leiter – konnte also zum Messgerät, Elektromagneten, Energiewandler oder Filter werden.

Genau darin liegt der rote Faden der Elektrotechnik: Die Bauelemente wurden nicht ursprünglich als fertige Schaltungssymbole erfunden. Zuerst wurden physikalische Wirkungen beobachtet, dann durch geschickte Versuchsanordnungen verstärkt und schließlich technisch nutzbar gemacht.

Und die Geschichte ist keineswegs abgeschlossen. Selbst in modernen Schaltnetzteilen, Audioverstärkern, Lautsprecherfrequenzweichen und Mikroelektronik begegnen uns dieselben physikalischen Grundgesetze wieder, die Forscher vor rund zweihundert Jahren anhand von Glasflaschen, Batteriestapeln, Kupferdrähten und Eisenringen ergründeten.

Für ein vertieftes Verständnis ist insbesondere die Zeit zwischen 1745 und 1832 spannend: In weniger als neunzig Jahren entstanden das Prinzip des Kondensators, die erste brauchbare chemische Dauerstromquelle und die Grundlagen von Spule, Elektromagnet, Transformator und Generator.