Die Hilfestellung, die ich als ABACUS-Nachhilfelehrer im Bereich der MINT-Fächer unseren Schülerinnen und Schülern im Fächerverbund Mathematik / Physik leisten darf, nehme ich zum Anlass, auf die besondere Bedeutung der Elektrophysik für die industrielle und wirtschaftliche Entwicklung hin zu weisen. Die Elektrophysik im klassischen Sinne ist in drei Hauptgebiete aufgeteilt:
In der Theorie des Strömungsfeldes werden physikalische Vorgänge im Zusammenhang mit Strömen beschrieben, die in elektrischen Leitern fließen. Der Bereich der Schulphysik beschränkt sich hierbei auf lineare Netzwerke. In diesen sind Erzeuger und Verbraucher elektrischer Energie über Leitungen verbunden. Die einzelnen Zweige dieses Netzwerkes haben konstante Widerstandswerte. In diesem spannenden Kapitel der Elektrophysik lernen wir in erster Linie die Wärmewirkungen von Strömen in elektrischen Leitern – gewollt oder parasitär – kennen.
Ein weiteres wichtiges Kapitel der Elektrophysik trägt die Überschrift: „Das elektrische Feld“: Dieser Abschnitt der Elektrophysik behandelt elektrische Leiter – auch Elektroden genannt -, die durch einen Isolierstoff von einander getrennt sind, wobei zwischen diesen Leitern ein Potentialunterschied (Spannung) aufrecht erhalten wird. Unter dem Einfluss dieser Spannung bilden sich auf den Elektroden elektrische Ladungen – negative respektive positive – aus, die sich nicht ausgleichen können, weil ein Stromfluss wegen des trennenden Isolators nicht möglich ist. Eine der Konsequenzen aus dieser Konstellation ist, dass auf die ruhenden Ladungen zeitlich konstante mechanische Kräfte ausgeübt werden.
Die eigentliche Motivation zu dem vorliegenden Beitrag jedoch liefert der dritte Hauptabschnitt der Elektrophysik, der sich mit dem „Magnetischen Feld“ beschäftigt. Der besondere Zustand des Raumes, der von einem magnetischen Feld ausgefüllt wird, ist gekennzeichnet durch:
– mechanische Kraftwirkungen und
– elektrische Induktion.
Diese beiden Phänomene, die die Basisursache für das Funktionsprinzip aller elektrischen Maschinen darstellen, haben die gesamte industrielle und wirtschaftliche Entwicklung von ihren Anfängen in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts bis zum heutigen Tage in dem uns bekannten Ausmaß geprägt.
Da ist zum einen der Zusammenhang zwischen der Kraftliniendichte B des Magnetfeldes und der Kraft F, die auf einen vom Strom I durchflossenen Leiter der Länge l wirkt, wobei zwischen der Richtung des Magnetfeldes und der Stromflussrichtung der Winkel α besteht:
F = B * I * l * sinα
Das ist die so genannte Lorentzkraft, die die Grundlage für die Funktionsweise eines jeden Elektromotors bildet.
Das zweite Geschenk, das uns das magnetische Feld beschert hat, ist die elektrische Induktion. Nach dem von Michael Faraday um 1830 entdeckten Induktionsgesetz entsteht an den Klemmen einer Leiterspule, die sich in einem magnetischen Feld mit dem Fluss Ф befindet, eine Spannung Ui , wenn sich dieses magnetische Feld in Relation zu der Leiterspule verändert: Die Höhe dieser Spannung Ui hängt von der Änderung des Flusses in der Zeit t sowie von der Windungszahl w der Leiterspule ab:
Ui ~ w * ΔФ / Δt
Die Funktion jedes Generators, der die elektrische Energie für die vielfältigen elektrischen Verbraucher in unserem industriellen bzw. privaten Lebensbereich liefert, basiert auf diesem physikalischen Gesetz. Gleiches gilt für die Transformatoren, die für die wirtschaftliche Übertragung von elektrischer Energie über große Entfernungen unentbehrlich sind.
Der erste großtechnische Einsatz von Mehrphasen-Wechselstromgeneratoren fällt in den Zeitraum der letzten 20 Jahre des 19. Jahrhunderts und fand etwa zeitgleich in mehreren Ländern Europas – Deutschland (Schuckert), Schweiz (Brown-Boveri), Österreich (Pichler), Großbritannien – sowie in Amerika statt. Die theoretischen Grundlagen für die Erstellung elektromotorischer Antriebe sowie erste praxistaugliche Gleichstrommotoren waren bereits im 4. Jahrzehnt des 19. Jahrhunderts verfügbar. Den Durchbruch für die breite Anwendung des Elektromotors in der industriellen Anwendung brachte die Entwicklung des robusten Drehstrom-Asynchronmotors um 1890 (Doliwo – Dobrowolski, AEG Berlin).
Im Jahre 1891 wurde anlässlich der internationalen Elektrizitätsausstellung ein Demonstrationsprojekt für eine erste Fernübertragung elektrischer Energie realisiert. Die von einem dreiphasigen Wasserkraftgenerator in Lauffen am Neckar erzeugte elektrische Energie wurde mit Hilfe einer transformatorgespeisten Freileitung über eine Distanz von 175 km nach Frankfurt a. M. übertragen, wo verschiedenartige elektrische Verbraucher eingespeist wurden. Die Leistung des Generators lag bei etwa 220 kW, das Spannungsniveau der Übertragung über die Freileitung betrug 15/25 kV (1 kV = 1000V). Die gegenwärtige Situation der im europäischen Verbundnetz (UCTE) verteilten elektrischen Energie lässt sich durch folgende Daten kompakt kennzeichnen:
– Installierte Kraftwerksleistung: 631 GW (1GW = 1 Million kW )
– Spitzenlast: 390 GW
– Gesamtverbrauch an elektrischer Energie / Jahr 2530 TWh/a (1TWh = 1 Milliarde kWh, (Zum Vergleich: Ein Zweifamilienhaushalt hat einen Jahresverbrauch von ca. 2500 kWh.))
– Einwohner 450 Millionen.
Zwischen dem – übrigens erfolgreich verlaufenen – Demonstrationsprojekt der Energieübertragung zwischen Neckar und Main am Ende des 19. Jahrhundert und der aktuellen Situation im europäischen Verbundnetz liegt eine gigantische industrielle Entwicklung, die in dieser Form und diesem Ausmaß ohne die zuvor besprochenen Phänomene des Magnetfeldes wohl – schlicht gesprochen – nicht hätte stattfinden können.
Es leuchtet ein, dass das Betreiben und der Erhalt sowie die Weiterentwicklung unserer elektrischen Energiesysteme die Vermittlung dieses Basiswissens im Lehrprogramm unserer Schulen als Grundlage für dessen Vertiefung im anschliessenden Ingenieursstudium zwingend erfordert.
Getreu dem sarkastischen Motto, dass Bildung ist, was übrig bleibt, wenn wir alles vergessen haben, halte ich es darüber hinaus für angemessen, dass auch aus dem Gesichtspunkt der Allgemeinbildung diese fundamentalen Ursachen unserer industriellen Entwicklung – zumindest als Phänomene – im Schülerinnen- und Schülerbewusstsein lebendig erhalten bleiben.
(Historische Anmerkungen und Zahlen zur aktuellen Energiewirtschaft siehe diverse Abhandlungen aus Wikipedia wie zum Beispiel „Europäisches Verbundsystem“).
