[* 5]Spannung, der
Druck, welchen die auf einem
Körper im Ruhezustand angesammelte freie
Elektrizität
[* 6] auf das umgebende nicht leitende
Mittel ausübt, indem sie von dem
Körper zu entweichen strebt.
Die e. S. ist
dem
Quadrat der elektrischen Dichte proportional.
Diese
von
Berzelius aufgestellte
Reihe konnte nicht durchweg aus elektrolytischen
Versuchen abgeleitet werden, sondern gründet
sich zum Teil auf das chemische Verhalten der
Grundstoffe. Ihr zufolge kann jedes
Element, mit Ausnahme
der Endglieder, elektropositiv oder elektronegativ erscheinen, je nachdem es mit einem in der
Reihe folgenden oder mit einem
vorhergehenden
Element in
Verbindung ist. Man pflegt jedoch die den
Alkalimetallen näher stehenden
Glieder der
Reihe etwa bis
zum
Wasserstoff im allgemeinen elektropositive, die übrigen bis zum
Sauerstoff elektronegative
Elemente zu nennen. Die
elektrochemische Theorie
(von
Berzelius und
Davy) erblickt in der
Anziehung, welche zwei verschiedene
Elemente, indem sie in Berührung miteinander entgegengesetzt
elektrisch werden, aufeinander ausüben, die Grundursache ihrer chemischen
Verbindung und erklärt chemische
Affinität als
elektrische
Anziehung.
[* 17]Potenzial, die elektrische Wirkungsfähigkeit, welche in jedem
Punkte der Umgebung eines elektrischen
Körpers
oder einer
Gruppe elektrischer
Körper herrscht.
Den von dem Einfluß der elektrischen
Masse beherrschten
Bezirk nennt man das
elektrische Feld; dasselbe erstreckt sich eigentlich bis in unendliche
Ferne, kann aber da, wo die
Wirkungen
wegen zu großer
Entfernung verschwindend klein geworden sind, rings begrenzt gedacht werden.
Denken wir uns eine mit positiver
Elektrizität geladene
Kugel und in ihrem Bereich einen negativ elektrischen
Punkt, so muß, um diesen
Punkt von der
Kugel weiter
zu entfernen, die Anziehungskraft, welche sie auf ihn ausübt, überwunden und somit
Arbeit geleistet
werden; die
Arbeit, welche erforderlich ist, um den elektrischen
Punkt von seiner anfänglichen
Stelle bis an die äußere
Grenze
des
Feldes (also eigentlich bis in unendliche
Ferne) zu bringen, ist ein
Maß für die an jener
Stelle herrschende Wirkungsfähigkeit,
oder sie stellt das daselbst stattfindende elektrische Potenzial dar.
Dieselbe
Arbeit vermag der elektrische
Punkt wieder zu leisten, wenn er, der Anziehungskraft
Folge leistend, von der
Grenze des
Feldes wieder bis zu seiner ursprünglichen
Entfernung vom
Mittelpunkt der
Kugel zurückkehrt. Bezeichnen wir diese
Entfernung
mit r, und ist der
Punkt mit der
Einheit der Elektrizitätsmenge, die
Kugel mit der Elektrizitätsmenge
e beladen, so ist
e : r das elektrische Potenzial der
Kugel in Bezug auf den so gelagerten
Punkt. Für alle
Punkte, welche den
gleichen
Abstand von dem Kugelzentrum haben oder welche in Bezug auf die
Kugel auf dem gleichen
»Niveau« liegen, hat das
elektrische Potenzial den nämlichen Wert.
Beschreibt man daher um das
Zentrum eine
Reihe von Kugelflächen mit immer größern
Halbmessern, so sind dieselben sämtlich
Flächen gleichen
Potenzials oder
Niveauflächen; auf jeder derselben behält das elektrische Potenzial ringsum den nämlichen
Wert, es nimmt aber ab, wenn man von einer zur andern nach außen hin fortschreitet. Um einen elektrischen
Punkt längs einer
Niveaufläche zu verschieben, ist keinerlei Kraftaufwand erforderlich, denn die anziehende (oder abstoßende)
Kraft,
[* 19] welche sich einer
Verschiebung widersetzen könnte, ist ja nur in der
Richtung nach dem
Zentrum hin thätig und steht
somit auf der
Niveaufläche senkrecht. Bringt man dagegen den
Punkt von einer
Niveaufläche auf eine andre,
so wird hierdurch eine
Arbeit geleistet oder verbraucht, welche dem Unterschied der entsprechenden
Potenziale gleich ist, auf
welchem Weg übrigens der
Punkt von der einen
Fläche zur andern gelangt sein mag.
Alles dies
¶
mehr
gilt nicht nur in dem bisher betrachteten einfachen Beispiel der Kugel; wie auch elektrische Massen beschaffen und gelagert
sein mögen, immer läßt sich die Verteilung der Spannung in ihrem Felde durch eine Schar von Potenzialniveauflächen veranschaulichen,
welche aber im allgemeinen nicht Kugelflächen, sondern krumme Flächen andrer Natur sein werden. Zieht
man Linien, welche die aufeinander folgenden Niveauflächen überall rechtwinkelig durchsetzen, so gibt jede derselben in dem
Punkte des Feldes, durch welchen sie geht, die Richtung der Kraft an, welche auf ihn wirkt; man nennt sie deswegen Kraftlinien.
In dem obigen Beispiel der Kugel sind die Kraftlinien Gerade, welche vom Zentrum ausstrahlen; im allgemeinen
aber sind sie gekrümmt. Die Elektrizität kann auf einem isolierten, leitenden Körper nur dann im Gleichgewicht
[* 21] sein, wenn
das elektrische Potenzial durch den ganzen Körper hindurch überall einen und denselben unveränderlichen Wert hat; in dem
den Körper umgebenden isolierenden Raum dagegen ist es veränderlich, indem es von der Oberfläche des
Körpers an, welche selbst eine Niveaufläche ist, auf den folgenden Niveauflächen immer kleiner wird. Da hiernach die elektrische
Kraft überall senkrecht zur Oberfläche des Körpers wirkt, so übt sie einen Druck aus gegen das den Körper umgebende isolierende
Mittel, welcher an den Stellen am größten ist, wo die Elektrizität sich am dichtesten anhäuft. Aus den
Eigenschaften des elektrischen Potenzials folgt ferner, daß im Fall des Gleichgewichts im Innern eines Leiters keine freie Elektrizität
vorhanden sein kann, sondern daß dieselbe stets als verschwindend dünne Schicht über die Oberfläche desselben verbreitet
ist.
Das elektrische Potenzial eines Körpers ist seinem absoluten Wert nach nicht bestimmbar; man gibt daher
immer den Unterschied eines Potenzials von demjenigen der Erde an, welches man als Null annimmt, ähnlich wie man die Angabe
von Höhenlagen auf das Niveau des Meers als Nullpunkt bezieht. Elektrizität entwickeln heißt nichts andres, als die beiden
Elektrizitäten, welche in unelektrischen Körpern auf dem NiveauNull miteinander vereinigt sind, auf verschiedenes
Niveau zu bringen oder eine Potenzialdifferenz zwischen ihnen herzustellen.
Wird z. B. Elektrizität durch Reibung
[* 22] erzeugt, so erscheint auf dem einen der geriebenen Körper ein positives, auf dem andern
ein negatives Potenzial, und die Differenz dieser beiden Potenziale (d. h. die Summe ihrer absoluten Werte)
drückt die Arbeit aus, welche zur Trennung der beiden Elektrizitäten verbraucht wurde und bei ihrer Vereinigung wieder geleistet
wird. Die Potenzialdifferenz oder der Spannungsunterschied der beiden Platten eines galvanischen Plattenpaars wird durch die
elektromotorische Kraft in stets gleicher Größe aufrecht erhalten und ist ein Maß für die letztere.
Elektromotorische Kraft und Potenzialdifferenz sind daher gleichbedeutende Begriffe. Zur experimentellen Bestimmung von elektrischen
Potenzialdifferenzen dienen Elektroskope und Elektrometer
[* 23]
sowie die als »Voltmeter« bezeichneten galvanometrischen Apparate.
Die Maßeinheit für Potenzialdifferenzen bildet das »Volt«, = 0,893 von der elektromotorischen Kraft eines Daniellschen Elements.
Derselbe Begriff des Potenzials gilt überhaupt für alle Kraftwirkungen, welche, wie die Elektrizität,
im umgekehrten Verhältnis des Quadrats der Entfernung abnehmen, also auch für die Schwerkraft und den Magnetismus.
[* 24] Die sogen.
magnetischen Kurven, welche sich bilden, wenn man Eisenfeile auf einen über die Pole eines Magnets gebreiteten Karton siebt,
sind nichts andres als die sichtbar gemachten Kraftlinien, welche das magnetische Feld durchziehen.