Mein Name ist Bernhard Baumgartner und manche von Euch kennen mich vielleicht schon aus anderen Grundlagenartikeln. Um Euch das unter Umständen doch recht trockene Thema „Elektrotechnik Grundkurs“ etwas näher zu bringen, hat mich Igor gebeten, einen Artikel bzw. eine Artikelserie für Euch zu schreiben. Der Hintergrund ist klar, denn in ein paar Tagen geht es wieder um Grafikkarten, Lastspitzen und andere Spitzfindigkeiten, die ein gewisseses Basiswissen voraussetzen. Und damit es Euch dann, wenn es soweit ist, auch in voller Breite abholt, gibt es heute vorab ein paar Basics. Natürlich werden Einige jetzt wissend den Kopf schütteln und denken, was soll das denn jetzt? Aber für die forschende Jugend gibt es (hoffentlich) etwas neues Wissen und für den Rest zumindest eine kleine Auffrischung, bevor die dicken bösen Buben kommen und uns wieder stromsaufend mit bunten Pixeln bewerfen.
Mein Ansatz beim Erklären dieses Themas soll locker und einfach verständlich sein, immer gespickt mit Beispielen aus dem realen Leben und bezogen auf Computer, mit denen wir uns ja alle so wohl fühlen. Ich selbst kann mich noch sehr genau an meine erste Stunde Elektrotechnik in der Berufsschule erinnern und ich habe es gehasst. Wirklich! Mit der Zeit wurde diese Disziplin aber doch immer interessanter, sodass ich in der Berufsausbildung sogar meine Fachrichtung zu Elektronik hin geändert habe. Nach drei Jahren hatte ich meinen Gesellenbrief als „Kraftfahrzeugmechatroniker für Fahrzeugkommunikationstechnik“ und von da an ging es in die automotive Entwicklung, inklusive der Ausbildung zum Ausbilder. Was ich zu Beginn gar nicht leiden konnte, hat sich zu echter Leidenschaft entwickelt, sogar zu meinem beruflichen Mittelpunkt. Ich hoffe im Laufe dieses Artikels, vielleicht doch jemanden zu infizieren.
Also dann setzt euch, legt die Füße hoch, nehmt euch einen Keks und habt Euren Spaß am Montag!
Bohrsches Atommodell
Wenn man Menschen fragt, was Elektrik, Elektronik und Strom eigentlich ist und dass man es für Fünfjährige erklären soll, so fällt schnell auf, dass das gar nicht so einfach ist. Ja, Elektrizität ist zu einem guten Teil doch recht abstrakt. Man riecht keine Elektronen, man kann sie in der Regel auch nicht sehen und hören, dem Homo Sapiens fehlt schlichtweg die Sensorik dafür. Maximal, wenn man en Finger in die Steckdose steckt. Dies ist auch der Grund, wieso Elektrizität wirklich gefährlich ist! Solltet ihr also mal Basteln oder euch für das Thema interessieren, so macht euch vorher unbedingt mit den fünf Sicherheitsregeln und den Auswirkungen des elektrischen Stroms auf die Gesundheit vertraut!
Wollen wir Elektrizität verstehen, können wir uns eines beindruckenden Gedankenexperiments bedienen: Stellt euch vor, ihr sitzt in einem elektrotechnischen Labor und vor euch liegt ein Stück Kabel auf dem Tisch. Würden wir immer näher mit unseren Augen an das Kabel zoomen sehen wir bald, dass das Kabel kein einzelner, massiver Leiter ist, sondern aus kleinen, einzelnen Litzen besteht. Diese Kupferlitzen weisen bei noch näherer Betrachtung eine texturierte Oberfläche auf, mit scharf begrenzten Bereichen. Manche Teile davon sind heller und manche dunkler, wir sind jetzt auf der Kornebene angekommen. Zoomen wir weiter rein, so sehen wir ein 3D-Gitternetz, wobei jeder Verbindungspunkt ein Kupferatom ist. Wir sind jetzt auf der Atomebene und genau dort müssen wir sein, um zu verstehen, was Elektrizität eigentlich ist und wie sie funktioniert.
Wenn wir uns das Bild ansehen, so sehen wir den Atomkern (Nucleus, Rot und Grün), dieser besteht aus einer gleichen Anzahl von Neutronen (Neutrale Ladung, Grün) und Protonen (positive Ladung, Rot). Sieht man den Kern isoliert vom Rest des Atoms, ist seine Gesamtladung positiv. Als negative Ladung dienen die Elektronen (Blau), die den Atomkern auf Orbitalbahnen umkreisen. Die Orbits sind keine festen Bahnen, wie z.B. bei einem Satelliten, sondern eher als „Aufenthaltswahrscheinlichkeitsräume“ zu sehen. Nehmen wir zum positiven Atomkern die negativen Elektronen hinzu, erhalten wir ein neutrales Atom, weil die Ladungen ausgeglichen sind. Auffallend ist, dass es einige Elektronen gibt, die ihre Bahnen näher am Kern ziehen und andere weiter vom Kern entfernt.
Das hat mit der Energieaufnahme- und Abgabe zu tun. Hat ein Elektron eine hohe Energie (eV / Elektronenvolt), kann es den Kern weiter außen umkreisen. Hat es weniger Energie, rückt es näher an den Atomkern. Als Eselsbrücke kann man sich das wie mit Raumschiffen im Erdorbit vorstellen: Ein Raumschiff mit starkem Antrieb kann das Gravitationsfeld der Erde ferner verlassen als ein Pupsschiff, dass nur einen Chinaböller hinten dran hat. Das Wichtigste an dieser Erkenntnis ist für uns: Elektronikinteressierte brauchen sich eigentlich nur merken, dass es freie Elektronen (FE, Blau) gibt, auf der äußersten Bahn und deswegen zwischen benachbarten Atomkernen hin- und herspringen können. Man konnte sagen, dass eine kleine Energieaufnahme reicht, damit diese freien, nicht gebundenen Elektronen zum nächsten Atomkern wandern können. Weit haben sie es ja nicht mehr, sind sowieso schon ganz außen…
Betrachten wir nun eine Reihe von Würfeln, deren Ecken jeweils ein Kupferatom sind. Legen wir nun ein elektrisches Potential von 0V an das eine Ende und ein Potential von 12 Volt an das Andere, so fangen die freien Elektronen an, in eine gerichtete Bewegung überzugehen (Rote Pfeile). Genau das ist Elektrizität: Die gerichtete Bewegung von Elektronen. BRUTAL!
Hirn-Download: Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung von freien Elektronen in leitenden Materialien! Elektronen haben immer ein negatives Potential, während der Atomkern positiv geladen ist!
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