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Influenzmaschine nach Wimshurst

Die Elektrizität im 18. und 19. Jahrhundert

Zuckende Blitze und magische Anziehungskräfte: Die Energiegeschichten erzählen von der Entdeckung der Elektrizität und beschreiben, wie Wissenschaftler und Erfinder vor Jahrhunderten mit Elektrizität experimentiert haben: Glasflaschen, gefüllt mit Goldblättern, dienen als Stromspeicher, Batterien gab es in Säulenform und mit Kurbel-Maschinen wurden Blitze erzeugt. Im 18. Jahrhundert zogen sogenannte Elektrisierer durch die Lande und begeisterten ihr Publikum mit knisternden Funken und spektakulären Explosionen.

Am Anfang war der Bernstein

Die Erkenntnis, dass Bernstein, wenn man ihn zum Beispiel an einem Tierfell reibt, Federn oder kleine, leichte Strohstückchen anziehen kann, gilt als erste wichtige Erkenntnis in der Geschichte der Elektrizitätsforschung. Zu Lebzeiten von Thales von Milet war dieses Phänomen bekannt: In vornehmen antiken Haushalten diente ein größerer Bernstein sogar als Kleiderbürste – durch das Gleiten am Stoff lud er sich auf und zog die Staubteilchen an sich. Thales beschrieb diese Erkenntnis, konnte sie aber noch nicht erklären. Das altgriechische Wort für Bernstein ist „elektron“. So wurde der Bernstein zum Namensgeber des Elementarteilchens Elektron und der Elektrizität.

Die Elektrisiermaschine

Im Jahr 1663 baute Otto von Guericke ein Instrument, das von Teilen der Wissenschaft als die erste Elektrisiermaschine angesehen wird. Es handelte sich um eine Kugel aus Schwefel, die auf einer Stange befestigt, drehbar gelagert auf einem Holzgestell ruhte. Er ließ sie rotieren, wobei er eine Hand auf die Oberfläche der Kugel legte, um sie zu reiben. Dabei beobachtete er, dass leichte Goldblättchen, Daunenfedern und Papierstücke von der Kugel angezogen wurden. Diese Wirkkraft symbolisiert für ihn zunächst die Anziehungskraft der Erde. Später jedoch beobachtet er etwas Überraschendes: Nach einiger Zeit werden die auf der Kugel klebenden Partikel mit Wucht wieder abgestoßen. Bislang wusste man nur von der Anziehungswirkung der Elektrizität,
aber eine Erklärung für dieses neue Phänomen hatte man noch nicht.

In dem Video führen wir ein Modell der Elektrisiermaschine von Otto von Guericke vor.

Die Leidener- oder Kleist'sche Flasche

Eine Leidener Flasche
Leidener Flasche mit Goldplättchen

Bis zur Erfindung der sogenannten Verstärker-Flasche konnten die Wissenschaftler zwar mithilfe von Reibung verschiedene Körper elektrisch aufladen, aber es ließen sich noch keine sichtbaren Funken erzeugen. Als aber im Jahr 1745 die „Leidener Verstärkerflasche“ beziehungsweise die „Kleistsche Flasche“ erfunden wurde, ließ sich mit ihr so viel elektrische Energie sammeln, dass bei der Entladung mächtige Funken entstehen. Das Flaschen-Instrument trägt unterschiedliche Bezeichnungen, weil sowohl der Holländer Pieter van Musschenbroek (1692-1791) als auch der Pommer Ewald Georg von Kleist (1700-1748) unabhängig voneinander das Prinzip der „Verstärkerflasche“ entdeckten.

Diese Leidener Flasche ist mit Goldplättchen gefüllt. Die Innen- und Außenwände der Flasche sind durch die Glaswand gegeneinander isoliert, so dass ein „Dielektrikum“ entsteht. Beim Aufladen der Flasche strömt positive Ladung hinein, an den Außenwänden sammelt sich die negative Ladung durch Influenz.

In dem Video führen wir ein Experiment an einer Reibungs-Elektrisiermaschine vor, wie es auch schon Mitte des 18. Jahrhunderts durchgeführt wurde.

Elektrisierte Menschen

Die Leidener Flasche wird gleich nach ihrer Entdeckung gern zu publikumswirksamen Demonstrationen eingesetzt. Zu Weltruhm gelangt sie jedoch durch den brillanten Experimentator Abbé Jean Antoine Nollet, der am französischen Hof Ludwigs XV mit einem grandiosen Schauspiel dem Hofstaat das Kondensatorprinzip demonstriert: 180 Soldaten der königlichen Garde müssen nichtsahnend – wie Nollet es beschreibt – den Entladungskreis einer Leidener Flasche bilden und springen durch die Wirkung des elektrischen Stroms in ihren Körpern zum größten Vergnügen der Zuschauer alle fast gleichzeitig in die Luft. Der Versuch wird mit 700 Mönchen wiederholt – das Ergebnis bleibt dasselbe.

Das Donnerhaus

ein hölzernes Donnerhaus, mit dem die Wirkung von Blitzableitern demonstriert wurde
Donnerhaus, Nachbau, Orignial um 1780

Umherziehende „Elektrisierer“ führten bereits im 18. Jahrhundert auf Marktplätzen und Jahrmärkten Experimente mit Elektrizität führten vor. Sie trugen damit zur Unterhaltung des Volkes bei. Auch die Schutzwirkung des Blitzableiters wurde sehr eindrucksvoll mit „Donnerhäusern“ demonstriert. Ein Donnerhaus war ein kleines Holzhaus mit einem Blitzableiter. Der Boden des Hauses wurde mit Schwarzpulver bestreut. Als künstlicher Blitz diente auf den Marktplätzen ein Funke aus einer Elektrisiermaschine. Wenn der Funke auf den Blitzableiter traf, passierte gar nichts! Denn durch den Blitzableiter war ist Haus gut geschützt. Beim zweiten Versuch wurde dann allerdings der Blitzableiter unterbrochen, indem man ein kleines ausgesägtes Quadrat aus der Holzwand des Hauses entfernte. Also gleicher Versuchsaufbau: Der Funke sprang auf den unterbrochenen Blitzableiter – und mit einem lauten Knall flog das Haus entzwei. Das Publikum reagierte erschrocken. Die Menschen waren verängstigt - und kaufen Blitzableiter bei dem Elektrisierer.

In dem Video führen wir den Versuch mit dem Donnerhaus vor.

Der Blitzableiter

Das Naturphänomen Blitz zu erklären, stellt die Forscher lange Zeit vor ein großes Rätsel. Noch im 18. Jahrhundert nimmt man an, dass infolge des Regens brennbare Dämpfe aus der Erde entweichen, die sich dann in einer gewaltigen Explosion entzünden. Heute weiß man, dass der Blitz eine Funkenentladung ist, die durch eine elektrostatische Aufladung der Wassertröpfchen in den Wolken verursacht wird. Den Nachweis, dass Blitze eine Entladung statischer Elektrizität in der Atmosphäre sind, erbringt der nordamerikanische Verleger, Naturwissenschaftler, Erfinder und berühmte Staatsmann Benjamin Franklin (1706-1790): In einem spektakulären Versuch lässt er am 15. Juni 1752 einen Drachen in den Gewitterhimmel steigen. Er hat an die feuchte, elektrisch leitende Drachenschnur einen Metallschlüssel befestigt und es gelingt ihm, von dem Metall Funken zu ziehen. Seine Entdeckung bringt Franklin auf die Idee, den Blitz mit einer starken Metallstange einzufangen, um ihn dann ohne Gefahr in die Erde abzuleiten. Damit ist der Blitzableiter erfunden.

Das Prinzip der Ladungstrennung

Elektrophor und Influenzmaschine

eine Influenzmaschine mit Kurbel zum Erzeugen von Funken
Influenzmaschine nach Wimshurst, unbekannter Hersteller, um 1900

Aus dem Prinzip der Ladungstrennung entwickelt Alessandro Volta (1745-1827) im Jahr 1775 den Elektrophor. Er besteht aus einer Kupferpfanne, in die eine Platte aus Baumharz gegossen ist, einem sogenannten "Harzkuchen". Die zweite Platte ist aus Holz und mit einer Zinnfolie überzogen. Reibt man den Harzkuchen mit einem Tierfell, so lädt er sich elektrostatisch auf. Wenn man nun den neutralen Deckel auflegt, so wird die Ladung getrennt und man kann mit wenigen Handgriffen Funken vom Deckel abnehmen.

Aus diesem Prinzip entwickelte James Wimshurst (1832-1903) im Jahr 1882 eine aus Draht-Pinseln, zwei gegenläufigen Scheiben und zwei Kondensatoren bestehende leistungsstarke Influenzmaschine, mit der man eine Spannung bis zu 120.000 Volt erzeugen konnte. Influenzmaschinen sind als elektrostatische Generatoren, die die Trennung elektrischer Ladung nutzen, um eine Spannung zu erzeugen.

 

 

In dem Video führen wir vor, wie man Funken mit einem Elektrophor und mit einer Influenzmaschine erzeugt.

Das galvanische Element

ein Galvanisches Element mit zwei Elektroden in einem Glaskörper
Galvanisches Element

Ein Galvanisches Element ist Grundbestandteil jeder Batterie und jedes Akkumulators. Es besteht aus zwei Elektroden (z.B. Kupfer und Zink) sowie einer Elektrolytlösung. Sie dienen als chemische Gleichspannungsquellen. Benannt wurde das Bauteil zu Ehren des italienischen Wissenschaftlers Luigi Galvani (1737–1798).

Die Erfindung der Batterie

Der Nachbau einer Volta-Säule mit Elementen aus Kuper, Zink und Lederplättchen
Nachbau einer Volta-Säule

Im Jahr 1800 konstruierte Alessandro Volta (1745-1827) die erste Batterie. Die "Volta-Säule" sollte die Welt verändern. Er nannte sie „kuenstliches electrisches Organ“ oder „electromotorisches Instrument“. Mit ihr ging das Zeitalter der mechanischen Reibungselektrizität zu Ende. Von da an sorgte die Chemie für die Lieferung des elektrischen Stroms.

Die Volta-Säule

Ein einzelnes Element der Voltaschen Säule besteht aus einem Kupfer- und einem Zinkplättchen mit einem dazwischen liegenden Elektrolyten. Dieses Element wird auch als Galvanisches Element bezeichnet. Ein Elektrolyt ist eine stromleitende Flüssigkeit. Als Elektrolyt verwendete Volta mit Salzlauge getränkte Papp- oder Lederstückchen, andere Quellen sprechen auch von Filzplättchen. Schichtet man mehrere Elemente aufeinander, also eine Folge von Kupfer-Elektrolyt-Zink-Kupfer-Elektrolyt-Zink,erhält man eine Hintereinanderschaltung mehrerer Galvanischer Elemente und damit eine Voltasche Säule. Die Spannung, die zwischen dem untersten Kupferplättchen und dem obersten Zinkplättchen entsteht, ist proportional zur Anzahl der Voltaelemente in der Säule.