LexiTV : Eine schwierige Frage

Schwieriger wird es, wenn der Quizmaster nachhakt: Wie genau funktioniert das Ganze denn? Wer sich nicht gerade zum Abitur quält, oder als Lehrer seine Schüler mit diesem Thema malträtiert, der dürfte an dieser Stelle ratlos in die Runde schauen. Warum etwas derart Alltägliches erklären?

Um das Phänomen zu verstehen, müssen wir tatsächlich raus aus dem Alltag und hinein in den Mikrokosmos des Atoms: Dessen Kern besteht aus Neutronen und positiv geladenen Protonen. Ums Zentrum herum schwirren negativ geladene Elektronen - die Hülle. Die Anzahl von Protonen und Elektronen ist im Normalfall gleich. Entfernt man Elektronen, ist das Atom positiv geladen, da Überschuss an Protonen besteht - man nennt es dann Ion. Sowohl Ion als auch Elektron wollen aber unbedingt in den neutralen, also ausgeglichenen Zustand zurück.

Folgendes kleine Experiment verdeutlicht ihr Streben: Reibt man einen Luftballon an einem Stück Stoff, bleiben andere Materialien an ihm haften. Was passiert da? Das Reiben reißt aus der Oberfläche des Ballons Elektronen heraus - er hat nun ein Defizit. Hält man ihn zum Beispiel über Konfetti, wird das Papier vom Ballon angezogen: Die Ionen des Ballons wollen mit aller Macht an die Elektronen der Konfetti-Atome. Es wechseln nun so lange Elektronen vom Papier zum Ballon, bis der Mangel auf beiden Seiten gleich groß ist. Nur während dieses Ausgleichs haften die beiden Stoffe aneinander.

Wir bezeichnen das als "statische Elektrizität". Elektron ist übrigens das griechische Wort für Bernstein. Am Bernstein haben Beobachter den Vorgang erstmals wahrgenommen. Ballon und Papier sind aus nichtleitendem Material. Ihr Merkmal: Die Atome sitzen so dicht beieinander, dass sich kaum ein Elektron frei bewegen kann und allenfalls mal ein paar an der Oberfläche verloren gehen. Anders verhält es sich mit leitendem Material: Hier hat die Natur Atome derart weit auseinander platziert, dass Elektronen von einem Atom zum nächsten "fliegen" können. Entfernt man in solchen Leitern an irgendeiner Stelle Elektronen, gleicht sich ihre Häufigkeit innerhalb des Stoffes schnell aus. Genau diese Bewegung ist ein elektrischer Strom.

Um sie am Leben zu erhalten, müssen an einer Stelle ständig Elektronen entfernt, an einer anderen Stelle Elektronen zugegeben werden. Verkörpert ist das Prinzip in der Batterie: Durch eine chemische Reaktion entstehen ein Pluspol mit einem Mangel an Elektronen und ein Minuspol mit einem gleich großen Überschuss an Elektronen. Während sich unterschiedliche Ladungen anziehen, stoßen sich gleiche Ladungen ab.

So verdrängen am Minuspol eingespeiste Elektronen die dort schon vorhandenen, die also Richtung Pluspol gestoßen werden und auf ihrem Weg weitere Elektronen vorwärts treiben. Das Spiel kann deshalb andauern, da am Pluspol immer für Mangel an Elektronen gesorgt ist - bis die chemische Reaktion in der Batterie versiegt. Bei so viel Bewegung entsteht bekanntlich Wärme. Spürbar wird die zum Beispiel, wenn man in den Kreislauf einen Widerstand setzt, der den Fluss behindert. Ein feiner Draht wäre so ein Hindernis - an seiner Position im Leiter staut sich der Elektronenfluss, muss aber trotzdem irgendwie durch. Die entstehende Reibung setzt zusätzliche Energie frei, der Draht beginnt zu glühen.

Der eben beschriebene Strom heißt Gleichstrom, da er gleichmäßig in nur eine Richtung fließt. Man kann ihn sich so vorstellen, dass ein am Minuspol eingespeistes Elektron im Laufe der Zeit bis hin zum Pluspol wandert. Batteriebetriebene Geräte laufen immer auf diese Art. Wechselstrom hingegen funktioniert anders. Hier tauschen Pluspol und Minuspol in Sekundenbruchteilen ihre Funktion. Die Elektronen bewegen sich nur ein Stück in die eine, dann wieder ein Stück in die andere Richtung und durchlaufen nicht den ganzen Stromkreis. Strom aus der Steckdose ist im Allgemeinen Wechselstrom, schon weil sich mit dieser Art der Übertragung größere Entfernungen überwinden lassen.