text: Die Eichen (Quercus), von althochdeutsch eih („Eiche, Eichbaum, Eichenbaum“) sind eine Pflanzengattung in der Familie der Buchengewächse (Fagaceae). Beschreibung Vegetative Merkmale Eichen-Arten sind sommergrüne oder immergrüne Bäume, seltener auch Sträucher. Die wechselständig und spiralig an den Zweigen angeordneten Laubblätter sind meist in Blattstiel und Blattspreite gegliedert. Die dünnen bis ledrigen, einfachen Blattspreiten sind gelappt oder ungelappt. Die Blattränder sind glatt oder gezähnt bis stachelig gezähnt. Die unscheinbaren, extrapetiolaren Nebenblätter fallen früh ab (nur bei Quercus sadleriana sind sie auffälliger). Je nach Standort und Sorte kann eine Eiche etwa 30 bis 40 Meter hoch und in manchen Fällen über 1000 Jahre alt werden. Generative Merkmale Eichen-Arten sind einhäusig gemischtgeschlechtig (monözisch). Die meist zu mehreren an der Basis junger Zweige sitzenden Blütenstände sind eingeschlechtig. Die Blüten sind sehr einfach gebaut, wie es bei windbestäubten (anemophilen) Taxa häufig der Fall ist. Die männlichen Blüten sind in hängenden Blütenständen (Kätzchen) zusammengefasst. Die Blütenhüllblätter sind verwachsen. Die männlichen Blüten enthalten meist sechs (zwei bis zwölf) Staubblätter, es sind manchmal reduzierte Pistillode (sterile Stempel), in Form von Haarbüscheln, vorhanden. Die weiblichen Blüten enthalten meist drei (bis sechs) Fruchtblätter und einen Stempel mit mehreren Griffeln. Jede Cupula (Fruchtbecher, Hütchen) enthält nur eine weibliche Blüte. Eichen sind insbesondere an ihrer Frucht, der Eichel (von althochdeutsch eihhila „das Junge der Eiche“), früher auch Ecker genannt, zu erkennen und in den einzelnen Arten zu unterscheiden. Die Eichel ist eine Nussfrucht. Sie reifen im ersten oder zweiten Jahr nach der Bestäubung. Jede Nussfrucht ist von einem Fruchtbecher umgeben. Die Chromosomengrundzahl beträgt x = 12. Ökologie Schon von Alters her ist den Menschen aufgefallen, dass Eichen eine ungewöhnliche Vielfalt von Insekten beherbergen (bis zu 1000 Arten in einer Krone). Die Spezialisierung zahlreicher Insekten-Arten auf Quercus-Arten gilt als ein Zeichen des hohen entwicklungsgeschichtlichen Alters (Koevolution). Viele Eichenarten (vor allem Korkeichen und mediterrane kalifornische Eichenarten) sind durch ihre dicke und gut regenerationsfähige Rinde gut an Brände angepasst. Zudem keimen ihre Eicheln gut und gern auf abgebranntem, konkurrenzfreiem Boden, was sie zu typischen Arten von Feuerökosystemen der Subtropen macht. Eichen-Arten sind Nahrungshabitat der Raupen von vielen Schmetterlingsarten. Sie wird in Mitteleuropa nur von der Salweide übertroffen. Beide beherbergen über 100 Arten. Standorte der Eichen-Arten in Mitteleuropa In Deutschland nehmen die Eichen nach der Dritten Bundeswaldinventur (2012) mit einer Fläche von 1,1 Millionen Hektar einen Anteil von 11,6 Prozent an der Waldfläche ein. Die Eichenfläche in den deutschen Wäldern hat sich zwischen 2002 und 2012 um 70.000 Hektar vergrößert. Die Eichen sind damit nach der Rotbuche die zweithäufigste Laubbaumgattung in Deutschland. Es handelt sich dabei hauptsächlich um die einheimischen Eichenarten Stieleiche und Traubeneiche. Die aus Nordamerika eingeführte Roteiche nimmt mit einer Fläche von 55.000 Hektar nur einen Anteil von 0,5 Prozent ein. Eichen-Arten traten bereits im Tertiär auf. Sie finden sich fossil schon vor zwölf Millionen Jahren, etwa in Sedimenten der Niederrheinischen Bucht. Das im oligozänen/eozänen Baltischen Bernstein sehr häufige Sternhaar wird ebenfalls Eichen zugeschrieben. Auch Eichenblüten sind im Baltischen Bernstein nicht selten. Sehr gut belegt sind Eichen durch fossile Pollen (u. a. aus dem Miozän Österreichs, Islands, und dem Eozän Grönlands und der Vereinigten Staaten), die auf Grund ihrer Ornamentierung bestimmten Sektionen bzw. evolutionären Linien zugeordnet werden können. Aus der Verbreitung von fossilem Pollen und darauf basierenden molekularen Uhren kann geschlossen werden, dass die heutigen Hauptabstammungslinien der Eichen im unteren Eozän entstanden und diversifizierten. Im Paleozän Grönlands sowie der Oberen Kreide der Vereinigten Staaten konnten verschiedenste Pollen von sowohl ausgestorbenen als auch noch lebenden Fagaceae (Buchengewächse) nachgewiesen werden, Eichen fehlen jedoch. Die Zuordnung einiger kreidezeitlicher Pflanzenfossilien zu Quercus bzw. Quercophyllum ist indes umstritten. Systematik und Verbreitung Bei dem römischen Autor Quintus Ennius (239–169 v. Chr.) findet sich der früheste literarische Beleg für den lateinischen Namen einer Quercus-Art, 'quercus'. Die Gattung Quercus wurde durch Carl von Linné 1753 in Species Plantarum, Tomus II, S. 994 und 1754 in Genera Plantarum, 5. Auflage, S. 431 aufgestellt. Die Gattung Quercus wird bei Denk et al. 2017 in die (primär) neuweltliche Untergattung Quercus (Diversitätsmaximum in Nord- und Mittelamerika, ~ 30 Arten in Europa und Asien) mit fünf Sektionen, Quercus (Weißeichen im engeren Sinne), Lobatae (Roteichen), Ponticae, Protobalanus und Virentes (Engl. live oaks), und die altweltliche Untergattung Cerris mit drei Sektionen, Cerris (Zerreichen im engeren Sinne), Cyclobalanopsis und Ilex, unterteilt. Die klassische Unterteilung des letzten Jahrhunderts in zwei Untergattungen (oder Gattungen), zurückgehend auf Andres Sandø Ørsted, Cyclobalanopsis (sektion Cyclobalanopsis) und Quercus (alle anderen Eichen) fand keine Entsprechung in molekular-phylogenetischen Stammbäumen. Quercus-Arten gibt es in Nordamerika, Mexiko, auf den Karibischen Inseln, in Zentralamerika, in Südamerika nur in Kolumbien, in Eurasien und in Nordafrika. Quercus ist die wichtigste Laubbaumgattung der Nordhalbkugel. Ein Schwerpunkt der Artenvielfalt ist Nordamerika. Die Gattung Quercus enthält 400 bis 600 Arten, davon mindestens 280 in der Untergattung Quercus und mindestens 140 in der Untergattung Cerris. Hier eine Arten-Auswahl: Untergattung Quercus Sektion Quercus; Synonyme: (Eu-)Lepidobalanus, Leucobalanus, Mesobalanus; Weiß-Eichen: Sie ist in Eurasien, Nordafrika und Nordamerika verbreitet. Europa, Westasien und Nordafrika: Algerische Eiche (Quercus canariensis ): Sie kommt in Marokko, Algerien, Tunesien, im südlichen Portugal und in Spanien vor. Portugiesische Eiche (Quercus faginea ): Die etwa drei Unterarten kommen in Marokko, Portugal, Spanien und auf den Balearen vor. Ungarische Eiche (Quercus frainetto ): Sie kommt in Süd-Italien, auf dem Balkan und in Ungarn vor. Hartwiss-Eiche (Quercus hartwissiana ): Verbreitet von Bulgarien bis in den Kaukasus. Gall-Eiche (Quercus infectoria ): Die etwa zwei Unterarten kommen von Griechenland bis zum südwestlichen Iran vor. Persische Eiche (Quercus macranthera ): Das Verbreitungsgebiet liegt in der Türkei, im Nord-Iran und im Südosten des Kaukasus. Traubeneiche (Quercus petraea ): Ihr Verbreitungsgebiet reicht von Italien und Nordgriechenland im Süden bis zu den Britischen Inseln und Südskandinavien im Norden; von Nordspanien im Westen bis Polen, Südwestrussland und dem Schwarzen Meer bis zum nördlichen Iran im Osten. Flaumeiche (Quercus pubescens ): Sie ist von West- über das südliche Mittel-, Süd- und Südosteuropa bis nach Kleinasien und zum Kaukasusraum verbreitet. Pyrenäen-Eiche (Quercus pyrenaica ): Sie kommt im westlichen Mittelmeerraum vor. Stieleiche oder Deutsche Eiche (Quercus robur ): Sie kommt in fast ganz Europa vor sowie im Kaukasus und in der Türkei. Säuleneiche (Pyramideneiche) (Quercus robur f. fastigiata ): Diese Sippe wird als gärtnerische Auslese, also als Sorte 'Fastigiata' betrachtet. Ost-, Südost- und Südasien: Orientalische Weiß-Eiche (Quercus aliena ): Sie kommt in fünf Varietäten von Japan bis Indochina vor. Japanische Kaiser-Eiche (Quercus dentata ): Sie kommt in Japan, Korea, im Westen und Norden von China und im östlichen Russland vor. Quercus lanata : Sie kommt im Himalayagebiet sowie dem südlichen und südöstlichen Asien vor. Mongolische Eiche (Quercus mongolica , Syn.: Quercus crispula ): Sie ist im östlichsten Russland, Nordchina, Korea und im nördlichen Japan verbreitet. Amerika: Amerikanische Weiß-Eiche (Quercus alba ): Sie ist in Nordamerika weitverbreitet. Arizona-Eiche (Quercus arizonica ): Sie kommt von den südlichen US-Bundesstaaten Arizona, New Mexico, Texas bis zu den mexikanischen Bundesstaaten Chihuahua, Coahuila, Durango sowie Sonora vor. Zweifarbige Eiche (Quercus bicolor ): Sie ist in Nordamerika weitverbreitet. Blau-Eiche (Quercus douglasii ): Sie gedeiht in Höhenlagen von 0 bis 1200 Metern nur in Kalifornien. Quercus engelmannii : Sie kommt nur vom südlichen Kalifornien in den USA bis ins nördliche Baja California in Mexiko vor; von der Insel Catalina sind nur wenige kleine Fundorte bekannt. Gambel-Eiche (Quercus gambelii ): Sie kommt in den westlichen, zentralen und südlichen Vereinigten Staaten bis zu den nördlichen mexikanischen Bundesstaaten Chihuahua, Coahuila sowie Sonora vor. Oregon-Eiche (Quercus garryana ) Kalifornische Weiß-Eiche (Quercus lobata ) Leierblättrige Eiche (Quercus lyrata ) Großfrüchtige Eiche (Quercus macrocarpa ): Die vielleicht zwei Varietäten kommen vom südlichen Kanada bis Alabama vor. Korb-Eiche (Quercus michauxii ): Das Verbreitungsgebiet liegt in Nordamerika. Kastanien-Eiche (Quercus montana ): Das Verbreitungsgebiet liegt in Nordamerika. Gelbe Eiche (Quercus muehlenbergii ): Das Verbreitungsgebiet liegt in Nordamerika. Quercus stellata : Kommt in neun Varietäten im Osten und Südosten der Vereinigten Staaten vor. Sektion Lobatae ; Synonym: Erythrobalanus; Roteichen: Sie sind von Nord-, über Zentral- bis Südamerika verbreitet: Quercus acerifolia : Sie kommt in Arkansas vor. Kalifornische Steineiche (Quercus agrifolia) : Sie kommt vom westlichen Kalifornien bis ins mexikanische Baja California Norte vor. Quercus arkansana : Sie kommt im östlichen Texas, in Arkansas, Louisiana, Alabama, Georgia, im nordwestlichen Florida und vielleicht auch in Mississippi vor. Quercus buckleyi : Sie kommt in den US-Bundesstaaten Oklahoma sowie Texas vor. Quercus canbyi (Syn.: Quercus graciliformis ): Sie kommt von Texas bis ins nordöstliche Mexiko vor. Scharlach-Eiche (Quercus coccinea ) Quercus ellipsoidalis : Sie kommt in den Vereinigten Staaten und im südwestlichen Ontario vor. Quercus emoryi : Sie kommt von Arizona bis ins westliche Texas und ins nördliche Mexiko vor. Sichelblättrige Eiche (Quercus falcata ) Quercus georgiana : Sie kommt in den US-Bundesstaaten Georgia, Alabama, North Carolina und kam früher auch in South Carolina vor. Quercus gravesii : Sie kommt vom südwestlichen Texas bis zu mexikanischen Bundesstaat Coahuila vor. Quercus hemisphaerica : Sie kommt von den südöstlichen Vereinigten Staaten bis Texas vor. Mexikanische Weideneiche (Quercus hypoleucoides ): Sie kommt in den südwestlichen USA sowie im nordwestlichen Mexiko vor. Busch-Eiche (Quercus ilicifolia ) Schindel-Eiche (Quercus imbricaria ) Quercus incana : Sie kommt von den südöstlichen Vereinigten Staaten bis Oklahoma und Texas vor. Quercus inopina : Sie kommt nur in Florida vor. Kalifornische Schwarzeiche (Quercus kelloggii ) Gabel-Eiche (Quercus laevis ): Sie kommt in den südöstlichen Vereinigten Staaten vor. Quercus laurifolia : Sie kommt von den südöstlichen Vereinigten Staaten bis Oklahoma und Texas vor. Schwarz-Eiche (Quercus marilandica ) Myrtenblättrige Eiche (Quercus myrtifolia ): Sie kommt in den südöstlichen Vereinigten Staaten vor. Wasser-Eiche (Quercus nigra ): Sie kommt in den zentralen und in den östlichen Vereinigten Staaten vor. Quercus pagoda : Sie kommt in den östlichen, den südöstlichen und den zentralen Vereinigten Staaten vor. Sumpf-Eiche (Quercus palustris ) Quercus parvula : Auf Santa Cruz Island und an der Küste Kaliforniens. Quercus phellos Quercus pumila : Sie kommt in den südöstlichen Vereinigten Staaten vor. Quercus robusta : Dieser Endemit kommt nur in den Chisos Mountains in Texas vor. Roteiche (Quercus rubra ) Shumards-Eiche (Quercus shumardii ): Sie kommt in drei Varietäten in den zentralen und den östlichen Vereinigten Staaten sowie im südlichen Ontario vor. Quercus tardifolia : Sie kommt von den Chisos Mountains in Texas bis zum mexikanischen Bundesstaat Coahuila vor. Quercus texana : Sie kommt in den zentralen und in den südöstlichen Vereinigten Staaten vor. Färber-Eiche (Quercus velutina ) Quercus viminea : Sie kommt im nördlichen und westlichen Mexiko und im südlichen Arizona vor. Quercus wislizeni : Sie kommt in zwei Varietäten in Kalifornien und im mexikanischen Bundesstaat Baja California Norte vor. Sektion Protobalanus : Die etwa fünf Arten kommen von den südwestlichen Vereinigte Staaten bis ins nordwestliche Mexiko vor: Quercus chrysolepis Quercus palmeri : Sie kommt im südlichen Kalifornien, in Arizona und in Mexiko im nördlichen Baja California vor. Quercus tomentella : Sie kommt auf den kalifornischen Kanalinseln, im mexikanischen Bundesstaat Baja California und auf der Insel Guadalupe vor. Quercus vacciniifolia : Sie kommt in den US-Bundesstaaten südwestliches Oregon, westliches Nevada und Kalifornien vor. Sektion Ponticae , je eine Art in Europa (Kaukasus) und im westlichen Nordamerika (Oregon, Kalifornien): Armenische Eiche (Quercus pontica ) Quercus sadleriana : Vorwiegend in den Klamath Mountains, morphologisch sehr ähnlich Quercus pontica und genetisch als einzige Schwesterart aufgelöst. Sektion Virentes : Die etwa sieben Arten sind von den südöstlichen Vereinigte Staaten über Mexiko bis Costa Rica und Kuba verbreitet: Quercus brandegeei : Sie kommt im nördlichen Mexiko vor. Quercus cubana (Syn.: Quercus sagraeana ): Sie kommt im westlichen Kuba vor. Quercus geminata : Sie kommt in den südöstlichen Vereinigten Staaten vor. Quercus fusiformis : Sie kommt vom südwestlichen Oklahoma bis ins nordöstliche Mexiko vor. Quercus minima : Sie kommt in den südöstlichen Vereinigten Staaten vor. Quercus oleoides : Sie kommt von Mexiko bis Costa Rica vor. Virginia-Eiche oder Lebens-Eiche (Quercus virginiana ) Untergattung Cerris Sektion Cerris ; Zerr-Eichen; Vorkommen: Europa, Nordafrika, Asien: Japanische Kastanien-Eiche, auch „Gesägte Eiche“ oder „Seidenraupen-Eiche“ (Quercus acutissima ) Kastanienblättrige Eiche (Quercus castaneifolia ) Zerr-Eiche (Quercus cerris ) Quercus ithaburensis Es gibt etwa zwei Unterarten: Quercus ithaburensis subsp. ithaburensis: Sie kommt von der zentralen und südlichen Türkei bis ins nordwestliche Jordanien vor. Quercus ithaburensis subsp. macrolepis (Syn.: Quercus macrolepis ): Sie kommt im südöstlichen Italien und von der Balkanhalbinsel bis Syrien vor. Quercus ithaburensis subsp. macrolepis var. aegaeica : Die Laubblätter bei dieser Variation sind breiter und noch weißlicher, die Baumkrone ist elliptisch flach. Vorkommen im südöstlichen Griechenland, auf den ägäischen Inseln und südwestliche Küsten der Türkei. Libanon-Eiche (Quercus libani ) Quercus serrata : Sie kommt in weiten Gebieten Chinas, in Taiwan, Korea und Japan vor. Korkeiche (Quercus suber ) Mazedonische Eiche (Quercus trojana ) Chinesische Korkeiche (Quercus variabilis ): Sie kommt in weiten Gebieten Chinas, in Taiwan, Korea und Japan vor. Sektion Cyclobalanopsis ; Vorkommen: Asien: Immergrüne Japanische Eiche, auch Japanische Roteiche genannt (Quercus acuta ): Sie ist eine wichtige Baumart in immergrünen Lorbeerwäldern in Japan, Südkorea und Taiwan. Blaue Japanische Eiche (Quercus glauca ): Sie kommt vom Himalaja bis Japan vor. Kerr-Eiche (Quercus kerrii ) Bambusblättrige Eiche, auch Japanische Weißeiche genannt (Quercus myrsinifolia ): Sie kommt in Japan, in Korea und von China bis Indochina vor. Sektion Ilex ; Synonym: Heterobalanus; Vorkommen: Nordafrika, Europa, Asien: Erlenblättrige Eiche (Quercus alnifolia ) Kermeseiche (Quercus coccifera , inkl. Quercus calliprinos ) Steineiche (Quercus ilex ) Quercus rotundifolia : Wird von manchen Autoren auch als Unterart Quercus ilex subsp. rotundifolia der Steineiche angesehen. Informationen zu den in Mitteleuropa häufig zu findenden Arten Die in Mitteleuropa heimische Stiel- und Traubeneiche sind typische Arten der Weißeichen, wobei diese beiden Arten in weiten Bereichen gemeinsam vorkommen und zur Bastardisierung neigen, daher häufig nicht eindeutig zu differenzieren sind. Sie sind sogenannte Lichtbaumarten, das heißt, sie benötigen im Wachstum mehr Licht als etwa die Rotbuche und bilden selbst offene, lichte Kronen. Die Nutzung von Wäldern zur Waldweide (Hutewald) hat deshalb die Ausbildung von Eichenwäldern gefördert, weil die weidenden Tiere den Nachwuchs der Rotbuchen gehemmt haben, da dieser schlechter mit Verbiss zurechtkommt und ein geringeres Ausschlagvermögen aufweist. Das verkernende Holz der Weißeichen ist sehr dauerhaft und wurde viel im Schiffbau verwendet. Die beiden in Mitteleuropa heimischen Arten bieten weit über 500 Insektenarten einen Lebensraum. Weitere Informationen siehe Hauptartikel dieser beiden Arten. Zur ursprünglich im östlichen Nordamerika heimischen Roteiche, die in den Gemäßigten Gebieten angepflanzt wird, siehe Hauptartikel. Kultur Religion In den alten Religionen, Mythen und Sagen war die Eiche ein heiliger Baum. Häufig wurde sie mit blitztragenden Göttern oder Götterfürsten in Verbindung gebracht. Christentum: Die Eiche galt als Lebensbaum, sie stand in ihrem dauerhaften Holz und dem langen Leben des Baumes für das ewige Leben und das ewige Heil. Auch wurde der Baum mit der glaubensstarken Heiligen Maria in Verbindung gebracht. Die Eiche findet sich in der Gotik und der frühen Neuzeit etwa auf Bibeleinbänden. Antikes Griechenland: dem Zeus geweiht bei den Griechen (Eichenorakel von Dodona) Rom: dem Jupiter geweiht bei den Römern, Kelten: Dem Himmelsherrscher und Wettergott Taranis gewidmet. Durch den römischen Geschichtsschreiber Plinius dem Älteren ist überliefert, dass die Kelten ohne Eichenlaub keine kultischen Handlungen vollzogen. Nach einer Herleitung könnte das Wort Druide für Priester von der festlandkeltischen Wurzel dru abgeleitet sein. Germanen: dem Gewittergott Donar (= Thor) geweiht. Der Legende nach fällte der heilige Bonifatius (Apostel der Deutschen) im Jahr 723 die Donareiche bei Geismar, um den zu bekehrenden Heiden zu beweisen, dass ihr Gott ein ohnmächtiges Wesen sei, das nicht einmal seinen Baum schützen könne. Recht Wegen der religiösen Bedeutung wurde unter den Eichen (wie auch unter Linden) Gericht gehalten (Gerichtsbäume, zum Beispiel Femeiche). Symbolik Symbol für die Ewigkeit (ein Eichenleben überdauert 30 Generationen) „Eichenbaum“ Deutschland: seit dem 18. Jahrhundert typischer deutscher Wappenbaum; insbesondere von Klopstock beförderter deutscher Nationalbaum – Bräutigamseiche, ein Naturdenkmal in Schleswig-Holstein Großbritannien Vereinigte Staaten „Doppeleiche“ Symbol für die Einheit Schleswig-Holsteins. In vielen Dörfern des Landes wurden um 1900 Doppeleichen, das heißt zweistämmige Eichen, gepflanzt. Im Schleswig-Holstein-Lied heißt es: Teures Land, du Doppeleiche, unter einer Krone Dach. „Eichenlaub“ Ornament in der Gotik Bestandteil von militärischen Rang- oder Ehrenzeichen: Schulterstücke der Stabsoffiziere und Generale der deutschen und vieler anderer Armeen. Ritterkreuz des Eisernen Kreuzes Barettabzeichen der Jägertruppe der Bundeswehr (leichte Infanterie) Uniformzeichen der Absolventen des Einzelkämpferlehrgangs der Bundeswehr Bestandteil deutscher Münzen Vorderseiten vieler Münzen der Goldmark, Reichsmark, Mark der DDR und Deutschen Mark Rückseiten der Pfennigstücke der Deutschen Mark (1–10 Pfennig Eichenlaub, 50 Pfennig Eichen-Pflanzerin) Rückseiten der deutschen Euromünzen zu 1, 2 und 5 Cent. „Eicheln“ Blattfarbe im Deutschen Blatt und im Schweizer Blatt (Kartenspiel) „Eichenkranz“ Bürgerkrone im Römischen Reich Aufhängung des finnischen Ordens des Freiheitskreuzes Parteiabzeichen der NSDAP; der Adler als Hoheitszeichen hielt einen Eichenkranz in den Fängen Umfassung der Barettabzeichen der Bundeswehr „Friedenseiche“ Friedenseichen wurden in Deutschland an vielen Orten als Symbol gepflanzt, insbesondere nach dem Deutsch-Französischen Krieg 1870–1871. Widerstandseiche Beispiel: Als am 30. Mai 1989 der Baustopp der Wiederaufarbeitungsanlage Wackersdorf bekannt gegeben wurde, pflanzte man in Pfreimd als Symbol für eine „unverstrahlte“ Zukunft eine Widerstands-Eiche. „Olympia-Eiche“ Anlässlich der Siegerehrung der Goldmedaillengewinner bei den Olympischen Sommerspielen 1936 wurde zusätzlich ein Eichensetzling in einem Tontopf mit der Aufschrift „Wachse zur Ehre des Sieges – rufe zur weiteren Tat“ überreicht. Lieder Auch im deutschen Liedgut kommt der Eiche eine herausragende Bedeutung bei, wie etwa beim Niedersachsenlied: „(...) Fest wie uns’re Eichen halten allezeit wir stand, wenn Stürme brausen über’s deutsche Vaterland.“ Im Album Baumlieder 1 "Bäume des Nordens" besingt Liedermacher Roland Zoss die Bäume, u. a. die Eiche und ihre Bewohner. Sonstiges Der Volksmund legt nahe, dass Eichen häufiger als andere Bäume vom Blitz getroffen werden („Eichen sollst du weichen, Buchen sollst du suchen“). Diese Aussage ist unwahr, vergleiche auch den Artikel über Blitze, Abschnitt „Verhalten bei Gewittern“. Der Künstler Joseph Beuys präsentierte in Kassel zur documenta 7 das Werk „7000 Eichen“. Die Eiche ist der Baum des Jahres 2016 in Österreich. Nutzung Eichenholz (Stiel- und Traubeneiche) Eichenstämme haben in ihrer Mitte das graubräunliche Kernholz, welches durch die eingelagerte Gerbsäure den typischen sauer-würzigen Eichengeruch erhält; zur Rinde hin und scharf abgegrenzt sind zwei bis fünf Zentimeter helles, junges, noch saftdurchflossenes Holz, das Splintholz. Das Holz der Stiel- und Traubeneiche hat eine Rohdichte bei Darrfeuchte (p0) von 0,39 bis 0,93 g/cm3, im Mittel 0,65 g/cm3, es ist hart und gut spaltbar. Weitere technische Daten: Elastizitätsmodul aus Biegeversuch E: 13.000 N/mm2, Zugfestigkeit längs Sigma ZB: 110 N/mm2, Druckfestigkeit längs Sigma DB: 52 N/mm2, Biegefestigkeit längs Sigma BB: 95 N/mm2, Bruchschlagarbeit Omega 60–75 kJ/m2, Härte nach Brinell: längs 64–66 N/mm2, quer 34–41 N/mm2 Das wertvolle Hartholz gut gewachsener Stämme wird bevorzugt zu Furnieren verarbeitet. Eichenes Kernholz hat eine hohe Verrottungsbeständigkeit und wird selten von Wurmfraß befallen. Splint dagegen sehr schnell. Das Kernholz von Stiel- und Traubeneiche wird einer höheren Dauerhaftigkeitsklasse zugeordnet als die heimischen Nadelhölzer und die meisten Laubhölzer wie etwa Ahorn, Birke, Buche, Erle, Esche, Linde, Meranti, Roteiche und Ulme. Das Holz von Eiche und Esche ähnelt sich in Färbung und Maserung und ist leicht zu verwechseln. Eichenholz wird für Möbel, Treppen, Fußböden, Außentüren und Fenster, Fachwerk und im Wasserbau eingesetzt. Von allen Eichenarten eignen sich nur ungefähr 180 zur Herstellung von Weinfässern, siehe auch Barrique. Eichenholzchips werden zur Aromatisierung von Wein verwendet. Eichenholz ist ein gutes Brennholz mit geringem Funkenflug. Sein Flammenbild ist jedoch nicht so schön wie bei Buchen- und Birkenholz oder bei Obsthölzern; außerdem ist der Heizwert etwas niedriger als bei der Rotbuche. Mooreiche Eine Besonderheit stellt die Mooreiche dar. Dabei handelt es sich nicht um eine Baumart, sondern um Eichenstämme, die über Jahrhunderte in Mooren, Sümpfen oder in Flussufern gelegen hatten und ausgegraben wurden. Die Gerbsäure des Eichenholzes verbindet sich mit den Eisensalzen des Wassers, wodurch das Holz sehr hart wird und sich stark verfärbt. Die Verfärbung kann sehr unregelmäßig sein und variiert von hellgrau über dunkelgelb, dunkelbraun, blaugrau bis tiefschwarz. Diese subfossilen Eichen können 600 bis 8500 Jahre alt sein. Eicheln Die Früchte (Eicheln) sind reich an Kohlenhydraten und Proteinen und wurden zur Eichelmast genutzt. Man trieb die Schweine zur Waldweide in die Wälder, die häufig als Mittelwald betrieben wurden. In ur- und frühgeschichtlicher Zeit sowie in Notzeiten wurden Eicheln von Menschen als Nahrungsmittel genutzt. Von nordamerikanischen Indianern (z. B. den Maidu) wurden Eicheln regelmäßig als Grundnahrungsmittel genutzt. Zur Verwendung als Nahrung müssen die geschälten und zerstoßenen Eicheln durch mehrmaliges Baden in Wasser allmählich von den wasserlöslichen Gerbstoffen befreit werden, was sich durch die ausbleibende Verfärbung des Wassers leicht erkennen lässt, wobei eine höhere Temperatur den Vorgang beschleunigt. Sie enthalten in hohen Mengen Tannine. Danach können sie, zum Beispiel als Mehlersatz für Breie und Kuchen oder als Kaffeeersatz „Muckefuck“, verarbeitet werden. Bei letzterer Verwendung wird die Gerbsäure teilweise auch im Mehl belassen, etwa aus medizinischen Gründen. In Korea wird die rohe Eichelnpaste zu Dotori-muk () verarbeitet, ein Eichengelee, eine Form davon ist Dotori-muk muchim (), auch Eichennudeln werden hergestellt; eine koreanische Form ist Dotori-guksu (), in Japan gibt es ähnliche. Eichel-Malz eignet sich zur Bierherstellung. Rinde Die den Gerbstoff Tanninsäure enthaltende Eichenrinde, etwa von Quercus robur, wurde seit der Antike zum Färben bzw. zur Herstellung von Textilfarben benutzt und fand auch Verwendung in der Heilkunde. Aus der jungen, glatten Rinde wurden Gerbstoffe für die Lohgerberei gewonnen (Eichenschälwald). Die in der Eichenrinde enthaltene Gallussäure wurde in Verbindung mit Eisensalzen zur Herstellung von Eisengallustinte verwendet. Die Borke der Korkeiche (Quercus suber) wird als Kork zur Herstellung von Korken, Korkfußböden und mehr verwendet. In der Volksheilkunde wurde borkenlose Eichenrinde genutzt, um Entzündungen der Schleimhäute zu heilen. Gallen Aus den Galläpfeln (Knoppern, lateinisch gallae), die von der gemeinen Eichengallwespe hervorgerufen werden, hat man früher dokumentenechte Eisengallustinte gewonnen oder sie zum Färben und Gerben verwendet. Fruchtbecher Die Fruchtbecher (Cupulae, hier Eichelkelche) einiger Arten (auch Wallonen, Valonen, Valonea, Acker-, Eckerdoppen, manchmal auch Knoppern, Trillo; die Schuppen) wurden früher zum Gerben verwendet. Medizin und Pharmakologie Alle Teile der Eiche sind wegen der enthaltenen Gerbstoffe leicht giftig und können zu gastrointestinalen Symptomen (Magenschleimhautreizung, Erbrechen, Durchfälle) führen (siehe dazu den Artikel: Liste giftiger Pflanzen). Als Heilpflanze wurde und wird die Eiche allerdings geschätzt. Als harntreibend geltende Eicheln fanden früher bei der Behandlung der „Harnwinde“ (Strangurie) eine heilkundliche Anwendung. Auch die bis ins Mittelalter für die Frucht der Eiche gehaltene Eichenmistel fand magische und therapeutische Verwendung. Die im Eichenholz enthaltenen Tannine und Aldehyde können beim Einatmen allergische Reaktionen (Rhinitis, Asthma) hervorrufen. Bekannte Eichen Informationen zu Eichenexemplaren, die aufgrund ihres überdurchschnittlichen Stammumfangs bemerkenswert sind, können in den beiden folgenden Listen nachgelesen werden: Liste der dicksten Eichen in Deutschland Liste der Eichen Europas mit einem Stammumfang ab zehn Metern Ergänzend dazu werden hier weitere Eichen aufgelistet. Die Dicke einer Eiche wird auch oft verwendet, um deren Alter grob zu schätzen. Eine weitere Methode ist die Schätzung anhand von geschichtlichen Überlieferungen. Da das älteste Holz aus dem Zentrum des Stammes fehlt, ist weder eine Jahresringzählung noch eine Radiokohlenstoffdatierung möglich. Die älteste Eiche Deutschlands soll die Femeiche in Raesfeld-Erle im Kreis Borken sein, deren Alter aufgrund der Dicke auf 600 bis 850 Jahre geschätzt wird. Für die älteste Eiche Europas kommen drei Exemplare in Frage, da die Altersschätzungen sehr ungenau sind. Die 1000-jährige Eiche Bad Blumau (Oststeiermark) wird auf über 1200 Jahre geschätzt, eine Stieleiche in Bulgarien im Ort Granit, Bezirk Stara Zagora auf 1640 Jahre und die Königseiche in Dänemark im Naturschutzgebiet Jægerspris Nordskov auf der Halbinsel Hornsherred wird auf 1400 bis 2000 Jahre taxiert. Weitere bekannte Eichen: Betteleiche im Nationalpark Hainich: 600 bis 800-jährige Eiche mit 13 Meter Höhe, 5,6 Meter Umfang und geteiltem Stamm Blüchereiche in Ratekau Bräutigamseiche in Dodau bei Eutin Dicke Eiche (Eisenach) in Berteroda: 1000-jährige Stieleiche, Umfang 9,62 Meter und 16 Meter Höhe Chełmoński-Eiche, Radziejowice (Woiwodschaft Masowien) in Polen Donareiche in Fritzlar (Nordhessen) Sieben-Brüder-Eiche in Friesack (Brandenburg) Grafeneiche in Harsum-Asel, Niedersachsen, Alter etwa 1000 Jahre Grenzwalleiche am Limes Hüter des Feldes bei Lichtenfels (Oberfranken) (ca. 1000 Jahre) Kaisereichen Linden-Eiche, North Bethesda, Maryland, Vereinigte Staaten Luthereichen Luthereiche (Wittenberg) Olympia-Eichen Pommersche Grenzmal-Eiche bei Lutzig (Stare Ludzicko) in Hinterpommern; Stammumfang (1924) 9,5 Meter Russeneichen Russeneiche (Rehbach), Stammumfang 5 Meter, Alter 200 Jahre, bei Rehbach im Odenwald Russeneiche (Ispringen) Sokół-Eiche in Polen Stiftsgerichtseiche in Bassum, Stammumfang 5,05 Meter, Höhe 23 Meter Stundeneiche bei Ludwigsfelde (Brandenburg) Zigeunereiche in Polen Siehe auch Foloi (Peloponnes), Eichenwald Quellen Kevin C. Nixon: Fagaceae.: in der Flora of North America, Volume 3: Quercus – textgleich online wie gedrucktes Werk, In: Flora of North America Editorial Committee (Hrsg.): Flora of North America North of Mexico, Volume 3: Magnoliidae and Hamamelidae, Oxford University Press, New York und Oxford, 1997, ISBN 0-19-511246-6. (Abschnitt Beschreibung) Chengjiu Huang, Yongtian Zhang, Bruce Bartholomew: Fagaceae Dumortier.: Cyclobalanopsis Oersted. S. 380 und Quercus, S. 370 – textgleich online wie gedrucktes Werk, In: Wu Zheng-yi & Peter H. Raven (Hrsg.): Flora of China, Volume 4 – Cycadaceae through Fagaceae, Science Press und Missouri Botanical Garden Press, Beijing und St. Louis, 1999, ISBN 0-915279-70-3. (Abschnitt Beschreibung) Gerhard Stinglwagner, Ilse Haseder, Reinhold Erlbeck: Das Kosmos Wald- und Forstlexikon, 6. Auflage, Kosmos, 2016. ISBN 978-3-440-15219-5. Forstbotanischer Garten und Pflanzengeographisches Arboretum der Universität Göttingen: Im Reich der Bäume. Quercus robur / Stiel-Eiche, Q. petraea – Trauben-Eiche, abgerufen am 1. August 2019 Weiterführende Literatur Carl August Bolle: Die Eichenfrucht als menschliches Nahrungsmittel. In: Zeitschrift des Vereins für Volkskunde. Band 1, 1891, S. 138–148. T. Denk, G. W. Grimm, P. S. Manos, M. Deng, A. L. Hipp: An Updated Infrageneric Classification of the Oaks: Review of Previous Taxonomic Schemes and Synthesis of Evolutionary Patterns. Oaks Physiological Ecology. Exploring the Functional Diversity of Genus Quercus L. Springer International Publishing, 2017. Joachim Krahl-Urban: Die Eichen. Forstliche Monographie der Traubeneiche und der Stieleiche. Parey, Hamburg 1959. Wolf Dieter Becker: Von verkohlten Nahrungsvorräten, geheimnisvollen Wällen und bitteren Mahlzeiten – Archäobotanische Untersuchungen in Westfalen. (S. 191–194) In: Ein Land macht Geschichte Archäologie in Nordrhein-Westfalen. Köln 1995, ISBN 3-8053-1801-4. Weblinks Quercus robur und Quercus petraea, auf materialarchiv.ch. Bestimmungsschlüssel und Beschreibung der Eichenarten der iberischen Halbinsel bei Universidad Autónoma de Madrid. (spanisch, PDF; 1,34 MB). Alle Quercusarten mit vielen Beschreibungen bei Oaks of the World, abgerufen am 21. November 2018. Quercus Portal – A european genetic and genomic web resources for Quercus von INRA. Einzelnachweise Baum des Jahres (Österreich) Wildfrucht Schalenobst Wikipedia:Artikel mit Video


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text: Europa (; Näheres zum Namen siehe unter Europa), eine Gestalt der griechischen Mythologie, ist die Tochter des phönizischen Königs Agenor und der Telephassa. Zeus verliebte sich in sie und darauf verwandelte er sich wegen seiner argwöhnischen Gattin Hera in einen Stier. Sein Bote Hermes trieb eine Stierherde in die Nähe der am Strand von Sidon spielenden Europa, die der Zeus-Stier auf seinem Rücken entführte. Er schwamm mit ihr nach Matala auf der Insel Kreta, wo er sich zurückverwandelte. Der Verbindung mit dem Gott entsprangen drei Kinder: Minos, Rhadamanthys und Sarpedon. Auf Grund einer Verheißung der Aphrodite wurde der fremde Erdteil nach Europa benannt. Erzählungen Die älteste literarische Referenz auf Europa ist in der Ilias von Homer zu finden, wo Europa die Tochter des Phoinix ist. Antike Erzählungen des Europa-Mythos finden sich in der „Europa“ des Moschos und in den „Metamorphosen“ des Ovid. Darüber hinaus gibt es weitere Erzählungen von der Entführung Europas. Nach Ovid verwandelt sich Jupiter (römisch für Zeus) in einen Stier, ein besonders kräftiges, aber sehr friedlich aussehendes Exemplar mit reinem, schneeweißen Fell und kleinen Hörnern, die aussehen, als habe sie ein Künstler angefertigt. Jupiter mischt sich unter eine Herde königlicher Stiere, die Mercurius (röm. für Hermes) zuvor zum Strand getrieben hat, und nähert sich so Europa, die mit ihren Gefährtinnen am Strand ist. Europas Furcht ist bald überwunden, sie spielt mit dem Stier, füttert ihn, streichelt ihn und umwindet seine Hörner mit Blumen. Schließlich traut sie sich, auf seinen Rücken zu steigen – da geht der Stier ins Wasser und schwimmt aufs offene Meer hinaus. Er bringt sie nach Kreta, wo er seine Stiergestalt ablegt und sich offenbart. Agenor schickte seine Söhne aus, ihre Schwester Europa zu suchen, doch die Nachforschungen bleiben erfolglos. Schließlich befragt Kadmos das Orakel von Delphi und wird von diesem angewiesen, die Suche nach seiner Schwester aufzugeben und stattdessen die böotische Stadt Theben zu gründen. Nach anderen Quellen soll Europa nach der Affäre mit Zeus die drei oben genannten Söhne geboren haben. Anschließend heiratete sie Asterios, den König von Kreta, und so wurde sie Königin von Kreta. Asterios, der selbst keine Kinder hatte, adoptierte auch ihre drei Söhne. Nach Herodot seien einmal Phönizier nach Argos gekommen, um ihre Waren zu verkaufen. Als die Königstochter Io zu den Ständen kam, hätten die Phönizier Io geraubt, woraufhin die Griechen Vergeltung übten und die Tochter des Königs von Tyros raubten, die Europa hieß. Gerold Dommermuth-Gudrich weist darauf hin, dass die römische Fassung dieser Sage im Kern eine orientalische sei: Europa sei „nichts anderes als die Verkörperung der Ischtar oder Astarte, der babylonisch-syrischen Liebesgöttin, die die Griechen mit Aphrodite gleichsetzen. Noch zur Zeit des klassischen Griechentums wurde Europa als Europa-Astarte von den Phöniziern in Sidon verehrt“. Interpretation Die feministische Historikerin Annette Kuhn hält dem durch die Ovid-Überlieferung patriarchal geprägten Mythos eine alternative Lesart entgegen, die das frühe Matriarchat einbezieht. So sieht sie das Matriarchat am Wirken, als die Mutter Europas, Telephassa, über Zeus eine Strafe für sein liebestolles Verhalten gegenüber Europa verhängt, und zwar die Verweigerung der Liebe Europas und das Sterben der Natur. Sie interpretiert den Mythos dahingehend, dass Zeus überhaupt erst in der „Verkleidung“ als Stier, welcher als ein Symbol für matriarchalische Ordnung fungierte – hervorgegangen aus dem damals noch weit verbreiteten mythologischen Symbol der „kosmischen Kuh“ –, sich Europa annähern konnte. „Liebe, so lautet die einfache Botschaft, kann nicht erzwungen werden.“ Dabei verweist Kuhn unter anderem auf den Mythenforscher Robert von Ranke-Graves, der „in seiner quellenkritischen Nacherzählung der Europageschichte [schon] auf [eine] matriarchale Tradition hingewiesen“ habe. Darstellung Die ältesten entdeckten Vasenmalereien, welche eindeutig Europa abbilden, stammen bereits aus dem 7. Jahrhundert vor Christus. Spätere bildliche Darstellungen zeigen Europa meist, Ovids Beschreibung folgend, wie sie vom Zeus-Stier entführt wird. Sie ist meist nur leicht bekleidet oder ganz nackt, sitzt rittlings (in älteren Darstellungen), seitwärts oder halb-liegend (in jüngeren Darstellungen) auf dem Rücken des weißen Stieres, hält sich an ihm fest und zeigt dabei keine Zeichen von Furcht. Verwendung auf Eurobanknoten Nachdem Europa schon 1948 auf dem 5-DM-Schein zu sehen war, ist seit dem 2. Mai 2013 der Kopf der Sagengestalt auf dem 5-€-Schein im Wasserzeichen und im Hologramm abgebildet, dieser ist der kleinste Schein der zweiten „Europa-Serie“ der Eurobanknoten. Die neue 10-€-Banknote, ebenfalls mit der Abbildung der Europa, befindet sich seit dem 23. September 2014 im Umlauf. Das abgebildete Porträt stammt von einer über 2000 Jahre alten Vase aus Süditalien, die im Pariser Louvre besichtigt werden kann. Siehe auch Jupitermond Europa L’Europa riconosciuta, Oper von Antonio Salieri Literatur Staatliche Museen Preußischer Kulturbesitz Kunstgewerbemuseum: Die Verführung der Europa. Propyläen Verlag, Berlin 1988, ISBN 3-549-05872-1. D’Europe à l’Europe, I. Le mythe d’Europe dans l’art et la culture de l’antiquité au XVIIIe s. (colloque de Paris, ENS – Ulm, 24. – 26. April 1997), Hrsg.: R. Poignault und O. Wattel-de Croizant, coll. Caesarodunum, n° XXXI bis, 1998. II. Mythe et identité du XIXe s. à nos jours (colloque de Caen, 30. September – 2. Oktober 1999), hrsg. von R. Poignault, F. Lecocq und O. Wattel–de Croizant, coll. Caesarodunum, n° XXXIII bis, 2000. III. La dimension politique et religieuse du mythe d’Europe de l’Antiquité à nos jours (colloque de Paris, ENS-Ulm, 29. – 30. November 2001), éd. O. Wattel – De Croizant, coll. Caesarodunum, n° hors-série, 2002. IV. Entre Orient et Occident, du mythe à la géopolitique (colloque de Paris, ENS-Ulm, 18.–20. Mai 2006), dir. O. Wattel – de Croizant & G. de Montifroy, Ed. de l’Age d’Homme, Lausanne 2007. V. État des connaissances (colloque de Bruxelles, 21.–22. Oktober 2010), dir. O. Wattel-de Croizant & A. Roba, Brüssel, éd. Métamorphoses d’Europe asbl, 2011. Günter Dietz: Europa und der Stier. Ein antiker Mythos für Europa? Kulturgeschichtliche Reihe, 4. Sonnenberg, Annweiler 2003, ISBN 3-933264-29-4. Almut-Barbara Renger (Hrsg.): Mythos Europa. Texte von Ovid bis Heiner Müller. Reclam, Leipzig 2003, ISBN 3-379-20077-8. Almut-Barbara Renger, Roland Alexander Ißler (Hrsg.): Gründungsmythen Europas in Literatur, Musik und Kunst, 1: Europa – Stier und Sternenkranz. Von der Union mit Zeus zum Staatenverbund. V&R unipress, Göttingen 2009, ISBN 978-3-89971-566-8. Eva C. Huller: „da wurde es selbst Zeus ganz klar, wie uneinig Europa war“. Europa in der deutschsprachigen Literatur seit 1957. In: Christian Lohse, Joseph Mittlmeier (Hrsg.): Europas Ursprung. Mythologie und Moderne. Festschrift der Universität Regensburg zum 50-jährigen Jubiläum der Römischen Verträge. Regensburg 2007, ISBN 3-9808020-9-4, S. 119–130. Winfried Bühler: Europa. W. Fink, München 1968. Weblinks ca. 250 Photos von Darstellungen des Herakles in der Kunst, in der Warburg Institute Iconographic Database Einzelnachweise Person der griechischen Mythologie Kultur (Europa) Europäische Geschichte Phönizier Nationale Personifikation Gestalt der griechischen Mythologie als Namensgeber für einen Asteroiden


text: Die elektrische Feldkonstante, auch Permittivität des Vakuums oder Influenzkonstante ist eine physikalische Konstante, die eine Rolle bei der Beschreibung von elektrischen Feldern spielt. Sie gibt das Verhältnis der elektrischen Flussdichte zur elektrischen Feldstärke im Vakuum an. Der Kehrwert der elektrischen Feldkonstanten tritt als Proportionalitätsfaktor im Coulomb-Gesetz auf. Namensgebung Die deutschsprachigen Version der SI-Broschüre, des Referenzdokuments des Internationalen Einheitensystems, verwendet die Begriffe elektrische Feldkonstante und Permittivität des Vakuums synonym. Die Internationale Elektrotechnische Kommission hingegen lehnt Permittivität des Vakuums sowie auch Influenzkonstante ausdrücklich ab. Bedeutung Die elektrische Feldkonstante verknüpft elektrische und mechanische Größen, die über das Coulombsche Gesetz in Beziehung stehen. Diese Formel gilt im Vakuum; in Anwesenheit polarisierbarer Medien gelten andere, für das Medium spezifische Werte . Man bezeichnet als die Permittivität. Sie gibt an, wie stark das elektrische Feld ist, das sich an einer bestimmten Stelle des Raumes in Abhängigkeit von einem gegebenen Erregerfeld ausbildet: . Im Vakuum gilt: . Daher bezeichnet man auch als Permittivität des Vakuums. Im elektrostatischen und im gaußschen Einheitensystem sind die elektromagnetischen Größen über die Formulierung des Coulomb-Gesetzes als definiert. Hier wird die elektrische Feldkonstante nicht benötigt. Einheiten und Naturkonstanten Die Einheit von kann auf verschiedene Weisen durch die abgeleiteten SI-Einheiten Volt (V), Coulomb (C) und Farad (F) ausgedrückt werden: Aus den Maxwell-Gleichungen ergibt sich im Internationalen Einheitensystem (SI) ein einfacher Zusammenhang zwischen der elektrischen Feldkonstante, der magnetischen Feldkonstanten und der Lichtgeschwindigkeit : und damit lässt sich aus der mit Messunsicherheit behafteten Feinstrukturkonstante und den exakt festgelegten Naturkonstanten Lichtgeschwindigkeit (c), Elementarladung (e) und Planck-Konstante (h) bestimmen: Geschichte Nachdem 1948 erst die magnetische Feldkonstante μ0 und 1983 auch die Lichtgeschwindigkeit c durch die Definition der Maßeinheiten Ampere bzw. Meter auf einen exakten Wert festgelegt wurden, war damit bis zum Jahr 2019 auch der Wert der elektrischen Feldkonstante exakt festgelegt. Er betrug: Durch die auf der 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht beschlossene Revision des Internationalen Einheitensystems erfolgt die Definition des Ampere seit dem 20. Mai 2019 auf Basis der Elementarladung und der Definition der Sekunde. Die magnetische Feldkonstante und damit auch die elektrische Feldkonstante sind seitdem mit Messunsicherheit behaftete Messgrößen. Einzelnachweise Physikalische Konstante Elektrostatik


text: Elektrolyse nennt man einen chemischen Prozess, bei dem elektrischer Strom eine Redoxreaktion erzwingt. Sie wird beispielsweise zur Gewinnung von Metallen verwendet, oder zur Herstellung von Stoffen, deren Gewinnung durch rein chemische Prozesse teurer oder kaum möglich wäre. Beispiele wichtiger Elektrolysen sind die Gewinnung von Wasserstoff, Aluminium, Chlor und Natronlauge. Eine Elektrolyse erfordert eine Gleichspannungsquelle, welche die elektrische Energie liefert und die chemischen Umsetzungen vorantreibt. Ein Teil der elektrischen Energie wird in chemische Energie umgewandelt. Genau dem umgekehrten Zweck, der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische, dienen Batterien, Akkumulatoren oder Brennstoffzellen: sie dienen als Stromquelle. Wenn man einen Akkumulator lädt, läuft eine Elektrolyse ab, die die chemischen Vorgänge während der Entladung rückgängig macht. Elektrolysen können daher der Energiespeicherung dienen, beispielsweise bei der Elektrolyse von Wasser, die Wasserstoff und Sauerstoff ergibt, die als Energieträger einer Wasserstoffwirtschaft vorgeschlagen wurden. Durch die Umkehrung der Wasserelektrolyse in einer Brennstoffzelle kann etwa 40 % der ursprünglich eingesetzten elektrischen Energie wieder zurückgewonnen werden. Die Abscheidung von Metallen aus einer Lösung, die die entsprechenden Metallionen enthält, durch einen von außen aufgeprägten Strom ist ebenfalls eine Elektrolyse. Dies kann zur Erzeugung von Metallschichten dienen, beispielsweise beim Verchromen; diese Art der Elektrolysen sind Gegenstand der Galvanotechnik. Die elektrolytische Auflösung und Wiederabscheidung von Metallen dient der Reinigung, z. B. von Kupfer, und wird elektrolytische Raffination genannt. Bei den chemischen Reaktionen, die bei der Elektrolyse ablaufen, werden Elektronen übertragen. Es sind daher immer Redoxreaktionen, wobei die Oxidation an der Anode (elektrischer Pol), die Reduktion an der Kathode ablaufen; Oxidations- und Reduktionsprozesse sind also räumlich zumindest teilweise voneinander getrennt. Geschichte Die Elektrolyse wurde im Jahr 1800 entdeckt, wobei die von Alessandro Volta erfundene erste brauchbare Batterie verwendet wurde, die Voltasche Säule. Die neu entdeckte Elektrolyse ermöglichte es Humphry Davy, in den Jahren 1807 und 1808 mehrere unedle Metalle erstmals elementar herzustellen, beispielsweise Natrium und Calcium. Michael Faraday untersuchte die Elektrolyse genauer und entdeckte ihre Grundgesetze, nämlich die Abhängigkeit der umgesetzten Massen von der Ladungsmenge und der Molmasse. Auf seine Anregung hin wurden auch die Begriffe Elektrolyse, Elektrode, Elektrolyt, Anode, Kathode, Anion und Kation geschaffen. Nach der Erfindung leistungsfähiger elektrischer Generatoren führten Elektrolysen Ende des 19. Jahrhunderts zu einer stürmischen Entwicklung in Wissenschaft und Technik, z. B. bei der elektrolytischen Gewinnung von Aluminium, Chlor und Alkalien, und bei der Erklärung des Verhaltens der Elektrolyte, zu denen auch Säuren und Basen zählen. Prinzip Durch zwei Elektroden wird ein elektrischer Gleichstrom in eine leitfähige Flüssigkeit (siehe Elektrolyt) geleitet. An den Elektroden entstehen durch die Elektrolyse Reaktionsprodukte aus den im Elektrolyt enthaltenen Stoffen. Die Spannungsquelle bewirkt einen Elektronenmangel in der mit dem Pluspol verbundenen Elektrode (Anode) und einen Elektronenüberschuss in der anderen, mit dem Minuspol verbundenen Elektrode (Kathode). Die Lösung zwischen der Kathode und Anode enthält als Elektrolyte positiv und negativ geladene Ionen. Positiv geladene Ionen (Kationen) oder elektroneutrale Stoffe nehmen an der Kathode Elektronen auf und werden dadurch reduziert. An der Anode läuft der entgegengesetzte Prozess ab, die Abgabe von Elektronen in die Elektrode, wobei Stoffe, z. B. Anionen, oxidiert werden. Die Menge der an der Anode übertragenen Elektronen ist gleich der an der Kathode übertragenen. Der Transport der Stoffe an die Elektroden erfolgt durch konvektiven Stoffübergang (Diffusion innerhalb der Flüssigkeit mit überlagerter Strömung der Flüssigkeit) und, soweit es Ionen betrifft, zusätzlich durch Migration (Wanderung durch Einwirkung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden). Die Spannung, die zur Elektrolyse mindestens angelegt werden muss, wird als Zersetzungsspannung (Uz oder Ez) bezeichnet. Diese oder eine höhere Spannung muss angelegt werden, damit die Elektrolyse überhaupt abläuft. Wird diese Mindestspannung nicht erreicht, wirkt der Elektrolyt beziehungsweise seine Grenzflächen zu den Elektroden, die auch elektrochemische Doppelschicht genannt werden, isolierend. Für jeden Stoff, für jede Umwandlung von Ionen zu zwei- oder mehratomigen Molekülen kann die Zersetzungsspannung, das Abscheidepotential anhand des Redoxpotentials ermittelt werden. Aus dem Redoxpotential erhält man noch weitere Hinweise, wie zur elektrolytischen Zersetzung von Metallelektroden in Säure oder zur Verminderung von Zersetzungsspannung durch Abänderung des pH-Wertes. So lässt sich durch das Redoxpotential berechnen, dass die anodische Sauerstoffbildung bei der Wasserelektrolyse von Wasser in basischer Lösung (Zersetzungsspannung: 0,401 V) unter geringerer Spannung abläuft als in saurer (Zersetzungsspannung: 1,23 V) oder neutraler (Zersetzungsspannung: 0,815 V) Lösung, an der Kathode hingegen bildet sich Wasserstoff leichter unter sauren Bedingungen als unter neutralen oder basischen Bedingungen. Sind in einer Elektrolytlösung mehrere reduzierbare Kationen vorhanden, so werden zunächst die Kationen reduziert, die in der Redoxreihe (Spannungsreihe) ein positiveres (schwächer negatives) Potential haben. Bei der Elektrolyse einer wässrigen Kochsalzlösung bildet sich an der Kathode normalerweise Wasserstoff und nicht Natrium. Auch beim Vorliegen von mehreren Anionenarten, die oxidiert werden können, kommen zunächst diejenigen zum Zuge, die in der Redoxreihe möglichst nahe am Spannungsnullpunkt liegen, also ein schwächeres positives Redoxpotential besitzen. Nach Überschreiten der Zersetzungsspannung wächst mit Spannungszunahme proportional auch die Stromstärke. Nach Faraday ist die Gewichtsmenge eines elektrolytisch gebildeten Stoffs proportional zu der geflossenen elektrischen Ladung (Stromstärke multipliziert mit der Zeit, siehe Faradaysche Gesetze). Für die Bildung von 1 g Wasserstoff (etwa 11,2 Liter, bei der Bildung eines Wasserstoffmoleküls werden zwei Elektronen benötigt) aus wässriger Lösung wird eine elektrische Ladung von 96485 C (1 C = 1 A·s) benötigt. Bei einem Strom von 1 A dauert die Bildung von 11,2 Litern Wasserstoff also 26 Stunden und 48 Minuten. Neben dem Redoxpotential ist noch die Überspannung (das Überpotential) von Bedeutung. Auf Grund von kinetischen Hemmungen an Elektroden benötigt man häufig eine deutlich höhere Spannung als sich dies aus der Berechnung der Redoxpotentiale errechnet. Die Überspannungseffekte können – je nach Materialbeschaffenheit der Elektroden – auch die Redoxreihe ändern, so dass andere Ionen oxidiert oder reduziert werden als dies nach dem Redoxpotential zu erwarten gewesen wäre. Kurz nach Abschaltung einer Elektrolyse kann man mit einem Amperemeter einen Stromausschlag in die andere Richtung feststellen. In dieser kurzen Phase setzt der umgekehrte Prozess der Elektrolyse, die Bildung einer galvanischen Zelle ein. Hierbei wird nicht Strom für die Umsetzung verbraucht, sondern es wird kurzzeitig Strom erzeugt; dieses Prinzip wird bei Brennstoffzellen genutzt. Mitunter ist es ratsam, zur Vermeidung unerwünschter chemischer Reaktionen Kathodenraum und Anodenraum voneinander zu trennen und den Ladungsaustausch zwischen Anoden- und Kathodenraum nur durch ein poröses Diaphragma – häufig ein Ionenaustauscherharz – stattfinden zu lassen. Bei der technischen Elektrolyse zur Herstellung von Natronlauge ist dies recht wichtig. Zur Verfolgung von Stoffumsatz, Wanderungsgeschwindigkeiten von Ionen kann auch das Wissen von molaren Grenzleitfähigkeiten wichtig sein. Wenn man durch eine Elektrolyse eine Trennung einzelner Moleküle oder Bindungen erzwingt, wirkt gleichzeitig ein galvanisches Element, dessen Spannung der Elektrolyse entgegenwirkt. Diese Spannung wird auch als Polarisationsspannung bezeichnet. Elektroden Es gibt nur wenige Anodenmaterialien, die während der Elektrolyse inert bleiben, also nicht in Lösung gehen, z. B. Platin und Kohlenstoff. Einige Metalle lösen sich trotz stark negativem Redoxpotential nicht auf, diese Eigenschaft wird als „Passivität“ bezeichnet. In saurer Lösung müssten sich nach der Nernst'schen Gleichung die Mehrzahl der Metalle unter Kationen- und Wasserstoffbildung auflösen. Bis auf Kupfer, Silber, Gold, Platin, Palladium besitzen fast alle Metall/Metallkationenpaare ein negatives Redoxpotential und wären für Elektrolysen in saurem Milieu ungeeignet, da sich das Gleichgewicht (Metallatom und Protonen) zur Kationenbildung und Wasserstoff verschiebt. Im schwefelsauren Milieu ist Blei ein preiswertes und beliebtes Kathodenmaterial, als Anode kann sowohl Blei als auch Bleioxid verwendet werden (Verwendung auch in Autobatterien). Bleisulfat ist schlecht löslich, so dass die Bleielektroden sich kaum auflösen. Eisen und Nickel können wegen der Passivität als Anoden manchmal auch in saurem Milieu verwendet werden, jedoch werden auch diese Anodenmaterialien vorzugsweise im basischen Milieu verwendet. Eine Eisenanode, die mit konzentrierter Salpetersäure behandelt wurde, löst sich nicht auf, durch die Passivierung gehen keine Eisen(II)- oder Eisen(III)-ionen in Lösung. Es hat sich eine sehr dünne und stabile Eisenoxidschicht (ähnlich wie beim Aluminium) gebildet, die die weitere Auflösung der Elektrode verhindert. Chloridionen oder höhere Temperaturen können jedoch die Passivität aufheben. Eisenanoden weisen im Vergleich zu anderen Anodenmaterialien nur eine sehr geringe Überspannung bei der Sauerstoffentwicklung auf, daher werden sie vorzugsweise bei der Erzeugung von Sauerstoff eingesetzt. Hemmungserscheinungen an der Anode, die bei der Sauerstoffbildung zu einer Überspannung führen, beobachtet man bei Kohle- und Platinanoden. Die Überspannung kann genutzt werden, um bei der Elektrolyse von wässriger Kochsalzlösung Chlor statt Sauerstoff zu erzeugen. An Zink-, Blei- und besonders Quecksilberkathoden zeigen Protonen eine erhebliche Überspannung und die Bildung von Wasserstoff erfolgt erst bei einer viel höheren Spannung. Die erhebliche Überspannung von Wasserstoff an der Quecksilberkathode, an der Natrium als Amalgam gebunden wird und so dem Gleichgewicht entzogen wird, nutzt man zur technischen Herstellung von Natronlauge. Durch die erhebliche Überspannung an dieser Elektrode bei der Wasserstoffbildung ändert sich die Redoxreihe, statt Protonen werden nun Natriumionen an der Quecksilberkathode reduziert. Geeignete Elektrodenmaterialien: (++) Gut geeignet, (+) geeignet, (−) nicht geeignet Überspannung Sowohl an der Kathode als auch an der Anode können Überspannungen auftreten und somit die benötigte Spannung gegenüber den Berechnungen nach der Nernst-Gleichung erhöhen. Die Überspannungen sind bei Gasbildungen (z. B. Wasserstoff- und Sauerstoffbildung) mitunter beträchtlich. Die an den Elektroden entstehenden Gase (siehe unten) bilden ihrerseits ein elektrochemisches Potenzial, das der anliegenden Spannung entgegenwirkt. Es kommt zu einer reversiblen elektrochemischen Polarisation. Die Polarisierung aufgrund von sich ausbildenden Oberflächenschichten wird auch beim Laden von Akkumulatoren und dem aktiven kathodischen Korrosionsschutz beobachtet. Die aufgebrachte Überspannungsenergie geht als Wärme verloren, trägt also bei Elektrolyse nicht zum Stoffumsatz bei. Je nach Metallart und Oberflächenbeschaffenheit der Elektroden variieren die Überspannungen. Stromstärke und Temperatur beeinflussen ebenfalls die Überspannung. Eine wachsende Stromstärke erhöht leicht die Überspannung, eine Temperaturerhöhung senkt dagegen die Überspannung. Die nachfolgenden Tabellen geben einen kurzen Überblick bezüglich der Überspannung bei der anodischen Sauerstoffentwicklung und der kathodischen Wasserstoffentwicklung (die Versuche wurden jedoch bei verschiedenen pH-Werten ausgeführt, zur Berechnung von pH-Änderungen siehe Nernst-Gleichung) Überspannung Sauerstoffbildung Konditionen: 1 N-wäss. KOH, 20 °C, Messung nach 20 min. Überspannung Wasserstoffbildung Konditionen: 1 N wäss. HCl, 16 °C. Bei anderen elektrolytischen Reduktionen (ohne Gasbildung) kann auch die Diffusionsüberspannung wichtig werden. Falls nach einigen Minuten die Konzentration des elektrolytisch umzusetzenden Stoffes vor der Elektrode absinkt, muss mehr Spannung aufgebracht werden, um die gleiche Stromstärke zu erzielen. Durch kontinuierliches Rühren oder mit rotierenden Scheiben-, Zylinderelektroden kann die Diffusionsüberspannung gesenkt werden. Die Wasserstoff- und die Sauerstoffüberspannung bleiben an vielen Metallen nicht konstant. Sie steigen mitunter sogar noch nach 60 Minuten leicht an. Zellwiderstand Der elektrische Widerstand einer Elektrolysezelle behindert den Stromfluss (ohmsches Gesetz) und sollte daher minimiert werden, andernfalls geht Energie in Form von Wärme verloren. Der Widerstand einer Elektrolysezelle hängt vom Elektrodenabstand, von der Größe der Elektrodenfläche und von der Leitfähigkeit ab. Allgemein gilt für die Berechnung des Widerstands einer Elektrolysezelle: In destilliertem Wasser ist die Leitfähigkeit sehr gering – der Widerstand also sehr hoch – und eine Elektrolyse schlecht möglich. Die Leitfähigkeiten von Lösungen geringer Konzentrationen lassen sich über die spezifische Elektrolytische Leitfähigkeit bzw. die Äquivalentleitfähigkeiten der Ionen berechnen. Die Leitfähigkeit von Lösungen sehr hoher Konzentration muss experimentell bestimmt werden. Obwohl bei starken Säuren die Leitfähigkeit höher als in basischen Lösungen gleicher Konzentration ist, werden viele Elektrolysen – aufgrund der anodischen Auflösungsvorgänge bzw. der verzögerten Sauerstoffbildung bzw. Halogenoxidation im sauren Bereich – vorwiegend in basischem Medium ausgeführt. Stromdichte Um die Wirtschaftlichkeit von elektrolytischen Verfahren zu steigern, sollten die Verfahren bei möglichst hohen Stromdichten durchgeführt werden. Dies erreicht man, indem man die Leitfähigkeit durch Salzzugabe oder durch Temperaturerhöhung (je Grad Temperaturzunahme steigt die spezifische Leitfähigkeit etwa um 1–2 %) erhöht. Häufig wird die Stromdichte durch den Diffusionsgrenzstrom limitiert. Aus Kenntnis des Diffusionsgrenzstromes lassen sich dimensionslose Kennzahlen ermitteln, um den Umsatz auch für größere Anlagen berechnen zu können. Es gibt für jede Elektrolyse eine kalkulatorisch optimale Stromdichte, sie ist größtenteils nicht die maximale Stromdichte. Um möglichst saubere, kompakte Metallabscheidungen zu erhalten, sollte bei geringer Stromdichte gearbeitet werden. Dies ist insbesondere für Gold-, Silber- und Kupferbezüge wichtig. Metallabscheidungen bei hohen Stromdichten bilden sogenannte Spieße, Stangen, Bäume aus und diese können zu Kurzschlüssen führen. Häufig – besonders in der organischen Chemie – sind thermische Verfahren aufgrund des höheren Stoffumsatzes pro Zeitspanne den elektrolytischen Verfahren überlegen. Wanderungsgeschwindigkeiten von Ionen Während der Elektrolyse können Kationen an der Kathode reduziert und an der Anode Anionen oxidiert werden. Da dicht vor der Elektrode Ladungsänderungen durch Reduktion oder Oxidation auftreten, muss die Ladungsdifferenz im Elektrodenraum durch Wanderungsprozesse ausgeglichen werden. Kationen und Anionen müssen im Elektrodenraum in identischer Konzentration vorliegen, es darf keinen Überschuss an positiven oder negativen Ionen geben. Der Ausgleich von Ionen in einer Elektrolysezelle wird durch die Ionenwanderung bewirkt. Die Wanderungsgeschwindigkeit ist abhängig von der angelegten Zellspannung und der Art der Ionen. Der Verlust an Kationen vor der Kathode kann durch die Wanderung von überschüssigen Kationen aus dem Anodenraum oder umgekehrt von überschüssigen Anionen aus dem Kathodenraum kompensiert werden. In der Regel stellt sich ein Kompromiss aus beiden Wanderungsrichtungen ein. Die Wanderungsgeschwindigkeiten lassen sich aus den Grenzleitfähigkeiten der Ionenarten berechnen. Mit der Überführungszahl kann die Änderung der Ionenzusammensetzung direkt bestimmt werden. Es gibt Ionen wie H+ oder OH-, die sehr schnell in einer Elektrolytlösung wandern. Aufgrund der unterschiedlichen Wanderungsgeschwindigkeiten können sich Ionenarten während der Elektrolyse in den Halbzellen der Elektrolysezelle anreichern. Bei einer Temperaturerhöhung um 1 °C nimmt die Leitfähigkeit um ca. 1–2,5 % zu. Die Zunahme der Wanderungsgeschwindigkeit könnte mit einer geringeren Viskosität der Solvathülle um die Ionen oder gar mit einer Abnahme der Solvathülle um die Ionen begründet werden. Zur Verknüpfung der Größen Wanderungsgeschwindigkeit , Ionenbeweglichkeit (die keine Geschwindigkeit ist!), elektrische Feldstärke , Äquivalentleitfähigkeit/Grenzleitfähigkeit (lambda) und von Ionen im elektrischen Feld beigebrachten Teilstrom siehe: Grundlagen und Berechnung der Überführungszahlen von Ionen sowie: Zahlenwerte der Ionenbeweglichkeit vieler Ionen Beispiele Elektrolyse von Wasser Die Elektrolyse von Wasser zerlegt dieses in die Elemente Sauerstoff und Wasserstoff. Wie alle Elektrolysen besteht sie aus zwei Teilreaktionen, die an den beiden Elektroden (Kathoden- und Anodenräumen) ablaufen. Das Gesamt-Reaktionsschema dieser Redoxreaktion lautet: Wasser wird durch elektrischen Strom in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Die Elektroden tauchen in Wasser ein, welches durch die Zugabe von Säure oder Lauge besser leitend gemacht wird. Die Teilreaktionen lauten Kathodenraum: 2 H3O+ + 2 e− → H2 + 2 H2O (für saure Lösungen) oder: 2 H2O + 2 e− → H2 + 2 OH− (für basische Lösungen) Anodenraum: 6 H2O → O2 + 4 H3O+ + 4 e− (für saure Lösungen) oder: 4 OH− → O2 + 2 H2O + 4 e− (für basische Lösungen) Als Demonstrationsexperiment kann diese Reaktion im Hofmannschen Wasserzersetzungsapparat ausgeführt werden. Die Wasserelektrolyse kann zur Gewinnung von Wasserstoff als lagerbarer Energieträger an Bedeutung gewinnen. Der energetische Wirkungsgrad der Elektrolyse von Wasser liegt bei über 70 %. Elektrolyse von Zinkiodid Die Elektrolyse von Zinkiodid zerlegt dieses in die Elemente Zink und Iod. Wie alle Elektrolysen besteht auch diese aus zwei Teilreaktionen, die an den beiden Elektroden (Kathode und Anode) ablaufen. Das Gesamt-Reaktionsschema dieser Redoxreaktion lautet: Das Zinkiodid wurde durch elektrischen Strom in Zink und Iod gespalten. Die Reaktionen an den einzelnen Elektrodenräumen lauten: Kathodenreaktion: Zn2+ + 2 e− → Zn Anodenreaktion: 2 I− → I2 + 2 e− Durch die Energiezufuhr bewegen sich die Ionen in der Richtung Elektroden. Die Zink-Kationen wandern zur Kathode, nehmen dort zwei Elektronen auf (Reduktion) und es bildet sich elementares Zink. Die Iod-Anionen wandern zur Anode und werden zu elementarem Iod oxidiert. Anwendungen Stoffgewinnung Die Metalle Aluminium und Magnesium werden elektrolytisch mithilfe der Schmelzflusselektrolyse hergestellt. Elektrochemisch werden ferner Kupfer, Silber und Gold gewonnen, sowie zu großen Teilen auch Zink und Nickel. Weitere Alkalimetalle und die meisten Erdalkalimetalle werden ebenfalls durch Schmelzflusselektrolyse gewonnen. Sowohl dabei als auch bei Elektrolyse in wässrigen Medien werden je nach Ausgangsstoff die Halogene Fluor, Brom und Chlor frei, die in großem Maßstab für weitere Synthesen verwendet werden. In der Chloralkali-Elektrolyse wird aus Steinsalz Chlor, Wasserstoff und Natronlauge hergestellt. Galvanik Elektrolytische Metallabscheidungen gehören zu den wichtigsten Anwendungen, entweder zur Erzeugung von metallischen Überzügen bei der Galvanik (galvanisches Verzinken, Verchromen usw.) oder zur Herstellung und Verstärkung von Leiterbahnen in der Leiterplattenproduktion. Elektrolytische Raffination Die elektrolytische Raffination ist ein Verfahren zur Reinigung von Metallen. Die Reinigung wird dadurch erreicht, dass sich durch Elektrolyse eine Anode aus einem Rohmetall löst und sich an einer Kathode selektiv als reines Metall abscheidet. Verunreinigungen bleiben im Elektrolyt gelöst oder fallen als Anodenschlamm aus. Der Anodenschlamm und Elektrolyt werden wegen ihrer wertvollen Bestandteile aufgearbeitet. Elektrolytische Raffination wird insbesondere für die Reinigung von Kupfer, Nickel, Silber und Blei verwendet. Bei der elektrolytischen Raffination von Kupfer wird Elektrolytkupfer mit einer Reinheit von >99,5 % gewonnen und wird hauptsächlich für elektrische Leiter verwendet. Bei der Kupferraffination beträgt die Zellspannung wenige Zehntel Volt (hauptsächlich verursacht durch Überspannungen und den Zellwiderstand), die Stromdichte liegt im Bereich von 150 bis 240 A/m2. Der Anodenschlamm enthält insbesondere die Edelmetalle Gold und Silber, aber auch Selen und Antimon. Die unedleren Metalle, wie Eisen, Nickel, Cobalt und Zink, verbleiben im Elektrolyt. Bei der elektrolytische Bleiraffination dient die Raffination von Rohblei zur Abtrennung von Arsen, Antimon und Bismut. Kolbe-Elektrolyse Die Kolbe-Elektrolyse ist das älteste Beispiel einer organischen elektrochemischen Reaktion. Bei dieser Elektrolyse werden zwei Carbonsäuremoleküle unter CO2-Abspaltung gekuppelt. Weitere Anwendungen der Elektrolyse Analytische Chemie: Bei der Voltammetrie und Polarographie wird durch die Messung des Elektrolysestromes in Abhängigkeit von der Spannung ein Aufschluss über die chemische Zusammensetzung des Elektrolyten gewonnen. Bei der Elektrogravimetrie und Coulometrie wird die Umsetzung von Elektrolyten durch elektrischen Strom angewendet, um Informationen über den Metallgehalt einer Probe zu erlangen. Abwasserreinigung: Neben der Hydroxidfällung und der Reinigung von Abwasser mit Ionenaustauschern werden zur Reinigung von belasteten Abwässern aus der metallverarbeitenden Industrie, der Galvanik, Farbstoff-, Pharmaindustrie elektrochemische Reinigungsmethoden angewandt. An der Anode werden Cyanidsalze, organische Verbindungen durch Oxidation unschädlich gemacht. An der Kathode werden z. B. Blei, Arsen und Kupfer durch Reduktion entfernt, Chromat wird zu Cr3+ reduziert. Elektrochemisches Abtragen: Elektrochemisches Abtragen (ECM) wird auch elektrochemische Metallbearbeitung genannt. Dabei wird das Werkstück als Anode geschaltet und das Metall löst sich dann durch große Nähe zur Kathode auf. Durch die Formgebung der Kathode kann die Ablösung an der Anode beeinflusst werden. Als Metalle eignen sich Aluminium, Kobalt, Molybdän, Nickel, Titan, Wolfram, Stahl und Eisenlegierungen. Als Elektrolyt dient Natriumnitrat oder Natriumhydroxid. Isotopentrennung: Im natürlichen Wasser ist etwas Deuterium enthalten. Da Deuterium sehr viel langsamer als Wasserstoff an der Kathode zum Mischgasmolekül Deuteriumwasserstoff reagiert, lässt sich Deuterium elektrolytisch anreichern. Laden von Akkumulatoren: Beim Entladen von Akkumulatoren wird chemische Energie in nutzbare elektrische Energie umgewandelt. Lädt man einen Akku wieder auf, so erzwingt man durch die Ladespannung eine Umkehrung der bei der Entladung ablaufenden Redoxreaktion. Somit ist der Aufladevorgang nach der oben genannten Definition eine Elektrolyse. Diese Benennung ist aber unüblich. Wirtschaft Nach Angaben des Statistischen Bundesamtes wurden im Jahr 2007 die folgenden Mengen an Metallen oder Chemikalien in Deutschland hergestellt. In den USA liegen die hergestellten Elektrolyseprodukte um den Faktor 2–3 höher. Dort werden ca. 5 % der gesamten Stromproduktion für die Elektrolyse benötigt. Die weltweite Gesamtmenge an mittels Elektrolyse hergestelltem Aluminium liegt bei etwa 50 Millionen Tonnen jährlich. Literatur Handbuch der experimentellen Chemie. Sekundarbereich II. Band 6: Elektrochemie. Aulis Verlag Deubner, 1994, ISBN 3-7614-1630-X. Ullmann Encyklopädie der technischen Chemie. 3. Auflage. Band 6, 1955, S. 253–304. (4. Auflage, Band 3, S. 262–298, 5. Auflage, Band A9, S. 220 ff.) Gerd Wedler: Lehrbuch der Physikalischen Chemie. Verlag Chemie, 1982, ISBN 3-527-25880-9, S. 172–212, S. 405–445, S. 821–836. Udo R. Kunze: Grundlagen der quantitativen Analyse. Georg Thieme Verlag, 1980, ISBN 3-13-585801-4, S. 169–171. Carl H. Hamann, Wolf Vielstich: Elektrochemie. 4. Auflage. WILEY-VCH Verlag, Weinheim 2005, ISBN 3-527-31068-1. Weblinks Allgemeine Beschreibung mit Zeichnung Information Portal on Hydrogen and Fuel Cells Videotutorial zur Elektrolyse Einzelnachweise Chemisch-technisches Verfahren


text: Die elektrische Kapazität (Formelzeichen , von ; Adjektiv kapazitiv) ist eine physikalische Größe aus dem Bereich der Elektrostatik, Elektronik und Elektrotechnik. Die elektrische Kapazität zwischen zwei voneinander isolierten elektrisch leitenden Körpern ist gleich dem Verhältnis der Ladungsmenge , die auf diesen Leitern gespeichert ist ( auf dem einen und auf dem anderen), und der zwischen ihnen herrschenden elektrischen Spannung : Sie wird dabei festgelegt durch die Dielektrizitätskonstante des isolierenden Mediums sowie die Geometrie der Körper, dazu zählt auch der Abstand. Dadurch stehen (sofern die Kapazität konstant ist) und zueinander in einer proportionalen Beziehung. Bei Akkumulatoren sowie Batterien benutzt man den Begriff „Kapazität“ für die maximale Ladungsmenge , die in ihnen gespeichert werden kann. Sie wird in Amperestunden (Ah) angegeben. Diese Kapazität der elektrischen Ladung hat jedoch weder etwas mit der hier dargestellten elektrischen Kapazität (Farad) noch mit der Leistungskapazität (Watt) zu tun. Kapazität eines Kondensators Eine technische Anwendung findet die Kapazität in Form von elektrischen Kondensatoren, die durch die Angabe einer bestimmten Kapazität charakterisiert werden. Der Begriff „Kapazität“ wird umgangssprachlich auch synonym für das elektrische Bauelement Kondensator selbst () verwendet. Ein Kondensator ist eine Leiteranordnung mit zwei Elektroden zur getrennten Speicherung von elektrischer Ladung und . In physikalischer Sicht rührt der elektrische Fluss von den getrennten elektrischen Ladungen und her, die von der externen Spannungsquelle mit der Spannung auf die Elektroden transportiert werden, womit sich: ergibt. Formal erfolgt dieser Zusammenhang über das Gaußsche Gesetz. Die elektrische Kapazität eines Kondensators kann dann als das Verhältnis der Ladungsmenge zur angelegten Spannung ausgedrückt werden: . Dabei ist üblicherweise eine konstante Kenngröße, die sich wie folgt ergibt. Ein Körper, auf den eine positive elektrische Ladung gegeben wird, hat dadurch ein elektrisches Feld, das der Bewegung einer weiteren positiven elektrischen Ladung auf den Körper entgegenwirkt. Befindet sich nun aber ein Körper in der Nähe, der negativ geladen ist, so wird das abstoßende elektrische Feld des positiven Körpers geschwächt (die auf den Körper zu bewegende positive Ladung spürt auch die Kraft der anziehenden negativen Ladung). Damit wird weniger Spannung benötigt, um die weitere positive Ladung auf den bereits positiv geladenen Körper zu bewegen, als ohne den zweiten, negativ geladenen Körper. Der erste Körper hat also eine höhere Kapazität. Das Gleiche gilt natürlich auch für den zweiten Körper. Die Abschwächung des elektrischen Feldes durch den einen geladenen Körper auf den anderen geladenen Körper wird beeinflusst durch deren Geometrie und die Permittivität des isolierenden Mediums zwischen den beiden Körpern. In einer vereinfachten Analogie entspricht die Kapazität dem Volumen eines Druckluftbehälters mit konstanter Temperatur. Der Luftdruck ist dabei analog zur Spannung und die Luftmenge analog zur Ladungsmenge . Daher ist die Ladungsmenge im Kondensator proportional zur Spannung. Diese Gesetzmäßigkeit gilt auch für die sogenannte Pseudokapazität, einer innerhalb enger Grenzen spannungsabhängigen elektrochemischen bzw. faradayschen Speicherung elektrischer Energie, die mit in einer Redoxreaktion und mit einem Ladungsaustausch an Elektroden von Superkondensatoren verbunden ist, wobei allerdings im Gegensatz zu Akkumulatoren an den Elektroden keine chemische Stoffänderung eintritt. Unter anderem die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) befasst sich mit Kapazitätsnormalen. Einheiten SI-Einheit Die elektrische Kapazität wird in der abgeleiteten SI-Einheit Farad gemessen. Ein Farad (1 F) ist diejenige Kapazität, die beim Anlegen einer Spannung von 1 Volt eine Ladungsmenge von 1 Coulomb (1 C = 1 As) speichert: Ein Kondensator der Kapazität 1 Farad lädt sich bei einem konstanten Ladestrom von 1 Ampere in 1 Sekunde auf die Spannung 1 Volt auf. Die SI-Einheit Farad, genannt zu Ehren des englischen Physikers und Chemikers Michael Faraday, hat sich heutzutage international überall durchgesetzt. CGS-Einheit Bis Mitte des 20. Jahrhunderts wurde die Kapazität von Kondensatoren häufig mit der Kapazitätseinheit cm beschriftet. Diese Angabe in Zentimetern rührt daher, dass die Kapazität im heute praktisch kaum noch gebrauchten Gaußschen Einheitensystem in der Längendimension ausgedrückt wird. So weist eine Metallkugel mit 5 cm Radius gegenüber einer sich im Unendlichen befindlichen Gegenelektrode eine Kapazität von 5 cm auf. Das Foto zeigt einen Papierkondensator der Marke SATOR der ehemaligen Firma Kremenezky, Mayer & Co aus dem Jahr 1950 mit einer Kapazität von 5000 cm. Das entspricht der Kapazität einer Metallkugel von 5000 cm Radius. Dargestellt im heute üblichen SI-Einheitensystem sind das ca. 5,6 nF. Eine Kapazität von 1 cm im Gaußschen Einheitensystem entspricht ca. 1,11 pF im SI-Einheitensystem. Der Umrechnungsfaktor beträgt {c}2·10−9 ≈ , wobei {c} der Zahlenwert der Lichtgeschwindigkeit ausgedrückt in cm/s ist. Kapazität bestimmter Elektrodengeometrien Für die Kapazität einer Reihe von einfachen Elektrodenformen (grau dargestellt) gibt es analytische Lösungen oder konvergente Reihenentwicklungen. Die folgende Tabelle zeigt einige Beispiele. Darin bezeichnet A die Fläche der Elektroden, d deren Abstand, l deren Länge, sowie deren Radien. Die Konstante ist die Permittivität (dielektrische Leitfähigkeit) des blau dargestellten Dielektrikums. Dabei ist die elektrische Feldkonstante und die Permittivitätszahl, eine stoffabhängige Größe ( im Vakuum). Dabei bezeichnet das Landau-Symbol den Fehlerterm der Approximation. Berechnungen zur Kapazität Folgende allgemeine Gleichungen für die Bestimmung der Kapazität gelten für die jeweils zeitabhängigen Größen Strom , Spannung und Ladung an einer konstanten elektrischen Kapazität : Ein Ausdruck für die Kapazität einer beliebigen Elektrodenanordnung oder Ladungsverteilung lässt sich mittels des Gaußschen Satzes herleiten: Dabei beträgt die dielektrische Verschiebung , also: Für ein Vakuum vereinfacht sich diese Gleichung wegen zu: Eine Berechnung der Kapazität erfordert die Kenntnis des elektrischen Feldes. Hierfür ist die Laplace-Gleichung mit einem konstanten Potential auf den Leiteroberflächen zu lösen. In komplizierteren Fällen existiert keine geschlossene Form der Lösung. Messen der Kapazität Das Messen der Kapazität dient nicht nur der Kontrolle der Kapazität eines Kondensators (Bauteil), sondern wird beispielsweise in kapazitiven Abstandssensor zur Abstandsbestimmung herangezogen. Auch weitere Sensoren (Druck, Feuchte, Gase) beruhen oft auf einer Kapazitätsmessung. Entsprechend den oben genannten Zusammenhängen kann die Kapazität folgendermaßen bestimmt werden: Laden mit konstantem Strom und Beobachten der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit Messen der Resonanzfrequenz eines mit der Kapazität gebildeten LC-Schwingkreises Anlegen einer Wechselspannung und Messen des Stromverlaufes Insbesondere das letztgenannte Verfahren wird in Kapazitätsmessgeräten angewendet, wobei nicht nur die Größe des Stromes, sondern auch seine Phasenlage zur Spannung erfasst wird. Auf diese Weise kann auch die Impedanz und der Verlustwinkel bzw. der Gütefaktor des Kondensators bestimmt werden. Literatur Einzelnachweise und Anmerkungen Kapazitat Elektrostatik Physikalische Größenart


text: Der elektrische Strom, oft auch nur Strom, ist eine physikalische Erscheinung aus dem Gebiet der Elektrizitätslehre. In der alltäglichen Bedeutung des Begriffs ist damit der Transport von elektrischen Ladungsträgern gemeint, also beispielsweise von Elektronen in Leitern oder Halbleitern oder von Ionen in Elektrolyten. Diese Form des Stroms bezeichnet man auch als Konvektionsstrom. Er macht sich, wie vom ampereschen Gesetz beschrieben, durch ein magnetisches Feld bemerkbar und führt meist zu einer Erwärmung des Leiters. In einem geschlossenen elektrischen Stromkreis fließt dauerhaft ein Strom, solange zwischen den Anschlüssen der Quelle eine leitende Verbindung besteht. Kurzzeitig fließt nach Anschluss eines Leiters an eine Spannungsquelle auch in einem offenen Stromkreis ein Strom, der den Leiter belädt oder entlädt, bis er auf dem von der Spannungsquelle vorgegebenen Potential ist. Darüber hinaus zählt man zum elektrischen Strom den Verschiebungsstrom. Dieser entsteht nicht durch Bewegung von Ladungen, sondern wenn ein elektrisches Feld sich zeitlich ändert. Er tritt z. B. zwischen den Platten eines Kondensators beim Be- oder Entladen auf und erzeugt ebenso wie der Konvektionsstrom ein Magnetfeld. Die physikalische Größe, die den elektrischen Strom bemisst, ist die elektrische Stromstärke. Ihr genormtes Formelzeichen ist das und ihre gesetzliche Einheit das Ampere. Geschichte Bereits Thales von Milet soll im 6. Jahrhundert v. Chr. entdeckt haben, dass Bernstein leichte Körper anzieht, wenn er vorher mit Tüchern gerieben wird. Eine Erklärung dafür konnte er zwar nicht finden, das Wort Elektrizität (vom griechischen „elektron“ für „Bernstein“) weist aber immer noch auf diese antike Entdeckung zurück. Die technische Nutzung des elektrischen Stromes begann in der Mitte des 19. Jahrhunderts mit der Telegrafie und der Galvanik. Für beide Anwendungen reichte zunächst die Leistung von Batterien aus. Um 1866 fand Werner von Siemens das dynamoelektrische Prinzip und nutzte es bei der Entwicklung des ersten elektrischen Generators, den er als Zündmaschine für die Zündung von Sprengladungen vermarkten konnte. Ab 1880 entwickelten sich diese Generatoren immer mehr zu Großmaschinen, um den Strombedarf der immer größer werdenden Stromnetze befriedigen zu können. In erster Linie dienten diese Netze zur Bereitstellung von elektrischem Strom für die Beleuchtung mit Bogen- und Glühlampen in der Öffentlichkeit und den ersten Privathaushalten. Eine weitere Anwendung des elektrischen Stromes bestand in seinem Einsatz in Leuchttürmen, da die Bogenlampe eine wesentlich höhere Lichtstärke besitzt als die zuvor verwendeten Kerzen oder Petroleumlampen. Infolgedessen entstanden die ersten Kraftwerke, die zunächst noch mit einfachen Wasserturbinen und Dampfmaschinen angetrieben wurden. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts stehen leistungsfähige Dampfturbinen zur Verfügung, die bis in die Gegenwart als Kraftmaschinen bei der Stromerzeugung dominieren. In den letzten Jahren des 19. Jahrhunderts fiel nach dem sogenannten Stromkrieg die Entscheidung zwischen Gleichstrom- und Wechselstromsystem zugunsten des Wechselstroms. Formelzeichen Das übliche Formelzeichen für Strom ist , was vom französischen Ausdruck „intensité du courant“ („Stromstärke“) stammt. Das Symbol wurde bereits von André-Marie Ampère, nach dem die Einheit der elektrischen Stromstärke benannt ist, bei der Formulierung des Ampèreschen Gesetzes (1820) verwendet. Physikalische Zusammenhänge Für quantitative Angaben zum elektrischen Strom verwendet man die physikalische Größe Stromstärke. Entstehung des Stromes Elektrischer Strom kann auf verschiedene Arten entstehen: Redoxreaktionen in Batterien, Coulombkräfte in elektrischen Feldern, z. B. in Kondensatoren, Lorentzkräfte in magnetischen Feldern, z. B. in Generatoren (zur Bereitstellung von 'Strom', womit hier die Versorgung mit elektrischer Energie gemeint ist), Mitführung von Ladungsträgern durch eine Strömung (Konvektion), z. B. bei Influenzmaschinen oder in Gewitterwolken (siehe Blitz), Diffusion von Ladungsträgern bei Unterschieden in deren Konzentration, z. B. an Grenzschichten von Halbleitern, auch ohne das Vorhandensein von Feldern, als Diffusionsstrom bezeichnet. Änderung des Verschiebungsflusses bzw. der Feldenergie in Nichtleitern und den daraus resultierenden Verschiebungsstrom. Zusammenhang mit der elektrischen Spannung Wenn – beispielsweise zwischen den Polen einer Batterie – eine Potentialdifferenz besteht, wird von einer elektrischen Spannung gesprochen. Aufgrund des dann bestehenden elektrischen Feldes wird eine Kraft auf die Ladungsträger ausgeübt; sie erfahren dadurch eine Beschleunigung, wenn sie beweglich sind. Das geschieht beispielsweise, wenn eine Glühlampe über Metalldrähte an die Pole angeschlossen ist. Die Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger bei dieser gerichteten Bewegung entsteht im Wechselspiel mit Streuprozessen. Die Stromdichte lässt sich berechnen durch Multiplikation der Driftgeschwindigkeit mit der Raumladungsdichte. Der Driftstrom wächst trotz der Beschleunigung nicht beliebig an; bei einer gegebenen Spannung stellt sich eine begrenzte Stromstärke ein. Diese Beobachtung wird mit einem elektrischen Widerstand erklärt. Definiert wird er durch das Verhältnis . In vielen Leitermaterialien ist die Stromstärke bei konstanter Temperatur proportional zur Spannung. In diesem Fall wird der Zusammenhang als ohmsches Gesetz bezeichnet, bei dem der Proportionalitätsfaktor von der Spannung und Stromstärke unabhängig ist. In einem Stromkreis mit einer Spannungsquelle bestimmen deren feststehende elektrische Spannung und der Widerstand die konkrete Stromstärke. Hingegen baut bei Verwendung einer Stromquelle deren feststehende Stromstärke am Widerstand die konkrete Spannung auf. In der Praxis kommen allerdings Spannungsquellen viel häufiger als Stromquellen vor, wie beispielsweise in Stromversorgungen, weshalb sich der konkrete Wert der elektrischen Stromstärke nach dem Verbraucher (genauer: dessen Widerstand) richtet. Stromleitung in Metallen In Metallen sind ein Teil der Elektronen, die sogenannten Leitungselektronen, nicht jeweils an ein bestimmtes Atom gebunden, sondern gehören allen Atomen gemeinsam, siehe metallische Bindung. Nach dem Drude-Modell ist die Leitfähigkeit von Metallen proportional zur Zahl der Leitungselektronen und ihrer Beweglichkeit. Realistischer ist das Bändermodell. Ionenleiter Der Stromtransport ist bei einem Ionenleiter an einen stofflichen Transport von beweglichen, elektrisch positiv oder negativ geladenen Atomen oder Molekülen (also Ionen) gebunden. Das unterscheidet diese Leiter von Leitern 1. Klasse wie den Metallen, in denen die Elektronen den elektrischen Strom tragen. Als Ionenleiter kommen vor allem ionisierte Gase und elektrisch leitfähige Flüssigkeiten in Frage. Man nennt diese Ionenleiter Elektrolyte oder Plasma. Auch Festkörper können Ionenleiter sein, siehe Festelektrolyt. Bei Ionenleitern kommt es bei Gleichstrom im Gegensatz zu Metallen im Regelfall zu einer stofflichen Veränderung des elektrischen Leiters. Dieser Effekt wird bei der Elektrolyse ausgenutzt. Solche chemischen Vorgänge können die Beschaffenheit des Leiters so verändern, dass sich die elektrolytische Leitfähigkeit allmählich ändert. Ist ein solcher Materialtransport (beispielsweise bei einer Gasentladung) unerwünscht, kann er durch Wechselstrom weitgehend unterbunden werden. Wirkungen des Stromes Das Auftreten eines elektrischen Stromes äußert sich durch folgende Wirkungen: Wärmewirkung (siehe beispielsweise Stromwärmegesetz) magnetische Wirkung (siehe beispielsweise Elektromagnetismus),einschließlich Kraftwirkung in eigenem oder äußerem Magnetfeld (siehe beispielsweise Elektromagnet, Elektromotor, Elektronenstrahl) chemische Wirkung (siehe beispielsweise Elektrochemie),einschließlich elektrochemische Wirkung in lebenden Organismen (siehe beispielsweise Elektrophysiologie) Lichtwirkung (siehe beispielsweise Leuchtdiode, Leuchtstofflampe, Lichtbogen) Technische Stromarten Gleichstrom Als Gleichstrom (, abgekürzt DC) wird jener elektrische Strom bezeichnet, der über die Zeit seine Richtung und Stärke nicht ändert, also zeitlich konstant ist. Praktisch alle elektronischen Geräte im Haushalt wie Radio- und Fernsehempfänger, Computer oder auch die Steuerungen heutiger Waschmaschinen benötigen für ihre Stromversorgung Gleichstrom. Aber auch in der Energietechnik werden Gleichströme eingesetzt, beispielsweise in der Schmelzflusselektrolyse zur Aluminiumgewinnung, für gut drehzahlregelbare Gleichstrommotoren (inzwischen zunehmend durch Stromrichter und Asynchronmotoren ersetzt), als Zwischenkreis in Stromrichtern, in Sendeanlagen und in Kraftfahrzeug-Bordnetzen. Gleichstrom kann durch Gleichrichter aus Wechselstrom gewonnen werden. Diese werden daher überall dort eingesetzt, wo Gleichstrom benötigt wird, aber nur der Wechselstrom des öffentlichen Stromnetzes zur Verfügung steht. Seltener, weil erheblich teurer, verwendet man auch direkte Gleichstromquellen, wie z. B. galvanische Zellen und photovoltaische Zellen. Kuriose Sonderfälle ohne technische Bedeutung sind elektrische Maschinen, die direkt ohne Gleichrichter mittels der Unipolarinduktion Gleichstrom herstellen können. Wechselstrom Bei Wechselstrom (, abgekürzt AC) kommt es zu einer periodischen Änderung der Stromrichtung. Jede Periode besteht aus aufeinanderfolgenden Zeitspannen mit positiven und negativen Augenblickswerten, die sich zu einer mittleren Stromstärke null ergänzen. Ausschlaggebend für den Erfolg des Wechselstroms zum Energietransport war, dass die Spannung mit Hilfe von Transformatoren sehr einfach geändert werden kann. Alle öffentlichen Stromversorgungsnetze werden mit Wechselspannung betrieben,– in Europa und vielen weiteren Ländern mit der Netzfrequenz 50 Hz, in anderen Teilen der Welt 60 Hz, siehe Länderübersicht Steckertypen, Netzspannungen und -frequenzen. Eine besondere Form von Wechselstrom ist der Dreiphasenwechselstrom (umgangssprachlich Stark-, Dreh- oder Kraftstrom), wie er in öffentlichen Stromnetzen zur elektrischen Energieverteilung großer Leistungen Verwendung findet. Diese Stromart ermöglicht besonders einfach gebaute und robuste Elektromotoren. Weitere Beispiele für Wechselstrom Fahrradlichtmaschine (einige 100 Hz) Audiosignale (20 ... 20.000 Hz) Antennenkabel (MHz bis GHz) Mischstrom Eine Kombination aus Wechselstrom und Gleichstrom wird Mischstrom genannt. Dabei kommt es nicht unbedingt zu einer Richtungsänderung des Mischstromes, sondern der zeitlich konstante Gleichstromanteil wird durch den zusätzlich aufgebrachten Wechselstrom in seiner Stärke periodisch geändert (pulsierender Gleichstrom). Dieser Mischstrom tritt beispielsweise bei Gleichrichtern auf und wird mit Glättungskondensatoren oder Glättungsdrosseln in Netzteilen geglättet. Der dabei übrigbleibende (meist unerwünschte) Wechselanteil wird als Restwelligkeit bezeichnet, die mit einer Brummspannung verkoppelt ist. Weitere Beispiele für Mischstrom analoges Telefon (Gleichstrom + Rufton oder Audiosignal) Tonaderspeisung (Gleichstrom + Audiosignal) Pulsdauermodulations-Signal (die Pulsdauer verändert den Mittelwert) Eingeprägter Strom Von einem eingeprägten Strom spricht man, wenn die Stromstärke in einem weiten Bereich unabhängig vom Wert des Lastwiderstands ist. Dabei kann es sich um Gleichstrom oder um Wechselstrom beliebiger Frequenz und Kurvenform handeln. Sogenannte Labornetzteile verfügen sowohl über eine einstellbare Begrenzung der Ausgangsspannung als auch über eine einstellbare Begrenzung der Ausgangsstromstärke und weisen so eine Rechteckkennlinie auf. Welche der beiden Begrenzungen erreicht wird, hängt von der Größe der Belastung ab. Wenn beispielsweise die Begrenzungen auf 30 V und 1,0 A eingestellt sind, dann wird bei einem Lastwiderstand von über 30 Ω (bis zum Leerlauf) die Spannungsbegrenzung erreicht. Ändert sich der Widerstand innerhalb des angegebenen Bereichs, so ändert sich nur die Stromstärke entsprechend. Die davon unverändert bleibende Spannung bezeichnet man als eingeprägte Spannung. Bei einem Lastwiderstand von weniger als 30 Ω (bis zum Kurzschluss) wird die Strombegrenzung erreicht. Ändert sich der Widerstand innerhalb des angegebenen Bereichs, so ändert sich nur die Spannung, die sich dazu passend auf Werte unterhalb von 30 V einstellt, während der trotz Belastungsänderung unverändert fließende Strom einen eingeprägten Strom darstellt. Elektrischer Strom im Alltag Elektrischer Strom dient in Alltag und Haushalt zur Energieversorgung zahlreicher elektronischer, elektrischer und elektromechanischer Geräte und Anlagen aller Größen, von beispielsweise Armbanduhren bis zu Fahrstühlen. Typischerweise wird er bei kleinen Geräten von einer ins Gerät eingelegten Batterie direkt geliefert, bei großen über das Stromnetz von einem Elektrizitätswerk. In den Industriestaaten ist das gesamte Leben von Bezug und Umformung dieser Energieform durchdrungen. Stromverbrauch Der umgangssprachliche Ausdruck „Strom verbrauchen“ ist, ähnlich wie der Ausdruck „Energieverbrauch“, physikalisch gesehen nicht richtig. Denn aufgrund der Ladungserhaltung fließt genau der Strom, der in ein Gerät hinein fließt, auch wieder hinaus – sofern das Gerät nicht als Ganzes entweder positiv oder negativ aufgeladen wird. Gemeint ist mit Stromverbrauch in aller Regel die elektrische Energie, die von einem elektrischen Bauelement, Stromkreis oder Gerät umgesetzt wird, oft auch pro Zeitspanne gerechnet, also die elektrische Leistung. Auswirkungen des elektrischen Stroms auf den Menschen Schädigungen durch elektrischen Strom können durch Erregung elektrisch reizbarer Strukturen von Nerven- und Muskelgewebe oder durch die Folgen der bei Stromeinwirkung möglichen Wärmeentwicklung entstehen. Obwohl die Stromstärke pro Fläche – also die elektrische Stromdichte – und deren Einwirkdauer für die Auswirkungen eines Stromunfalls verantwortlich ist, wird oft die Spannung als Gefahrenquelle angegeben, da sich mithilfe des ohmschen Gesetzes über den Körperwiderstand die Stromstärke bzw. Stromdichte im Körper berechnen lässt. Der Weg des elektrischen Stroms (also beispielsweise rechte Hand – Fuß) ist dabei maßgeblich für die Gefährlichkeit der Spannung, bei einem kürzeren Weg wie etwa Brust – Rücken können geringere Spannungen lebensgefährlich werden. Zusätzlich gibt die Höhe der Spannung Auskunft über den erforderlichen Mindestabstand zu blanken, nicht isolierten Hochspannungsleitungen. Elektrische Wechselströme im Bereich der Netzfrequenz sind ab 0,5 mA für den menschlichen Organismus spürbar und bei höheren Stromstärken über 10 mA, welche länger als 2 s einwirken, gefährlich, für Kinder möglicherweise bereits tödlich. Gleichströme sind ab 2 mA spürbar und ab 25 mA, welche länger als 2 s einwirken, gefährlich. Man spricht dann auch von einem Stromschlag. Diese und folgende Werte gelten jedoch nur, wenn sich der Strom über den Körperwiderstand im Körper verteilt und nicht z. B. auf den Herzmuskel konzentriert; bei Elektroden unter der Haut gelten sehr viel kleinere Werte. Bei intensivmedizinischen Eingriffen direkt am Herzen bzw. Herzmuskel können auch wesentlich geringere Stromstärken Herzkammerflimmern auslösen. Die anschließende Tabelle gibt die Gefährlichkeit von Wechselstrom von 50–60 Hz wieder: Bei elektrischen Energieversorgungsnetzen und vor allem Bereiche und Anlagen, die mit Hochspannung betrieben werden, wie etwa Umspannwerke, Freileitungen, aber auch Oberleitungen für Bahnen, kommen auch Stromunfälle durch Spannungsüberschläge und Lichtbögen vor. Der Stromunfall mit Lichtbogeneinwirkung ist fast ausnahmslos zusätzlich mit Verbrennungen verbunden und es entstehen in der Brandwunde meist toxische Verbrennungsprodukte. Außerdem führen Hochspannungsunfälle (bei ausreichender Stromstärke) häufiger und rascher zu einem Herz- und Kreislaufstillstand. Elektrostatische Entladungen können Menschen verletzen oder töten. Besonders bei einem Gewitter besteht ein Risiko, direkt vom Blitz getroffen zu werden. Die Stromstärken reichen von etwa 2 kA bis über 100 kA. Die Entladungsdauer beträgt meist einige 100 μs. Durch die hohe Flankensteilheit des Blitzstromes treten Skineffekte auf, deren Folgen von völliger Unversehrtheit bis hin zu schweren Verbrennungen auf der Körperoberfläche mit Todesfolge reichen können. Ein weiterer Effekt ist das Auftreten von hohen Berührungsspannungen durch Naheinschläge von Blitzen. Elektrischer Strom in der Natur Jenseits der Zivilisation tritt elektrischer Strom unter anderen auf: atmosphärische Entladungen als Blitze bei einem Gewitter Geomagnetisch induzierter Strom in der Erde nach einem Magnetischen Sturm infolge einer Sonneneruption (bis einige 100 A in Stromnetzen) Zitterfische wie Zitterrochen und Zitteraal erzeugen elektrischen Strom zur Verteidigung (1 bis 50 A) aktive und passive Orientierung und Kommunikation von Lebewesen (siehe Elektrische Orientierung) bioelektrochemische Prozesse wie Erregungsleitung in Nervenzellen (pA bis nA, siehe auch Hirnströme) und einigen pflanzlichen Parenchymzellen, aber auch Erzeugung und Verarbeitung von Impulsen bei Sinnes- und Muskelzellen Siehe auch Elektro-Hydraulische Analogie – Veranschaulichung einiger Größen im Stromkreis durch Analogie zu einem hydraulischen System Literatur Weblinks Versuche und Aufgaben zum elektrischen Strom (auf Schülerniveau, LEIFI) Einzelnachweise Elektrische Größe