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Isolator

Isolator

Ein Isolator in der Elektrotechnik ist eine Substanz, die keinen elektrischen Strom leitet und daher als Isolierung wirkt. Ein Isolator hat einen spezifischen Widerstand von typischerweise mehr als 10¹⁰ Ωm. Die Eigenschaften von Isolatoren können von der Temperatur und von der Umgebung abhängig sein. Üblicherweise ändert sich die Leitfähigkeit eines Isolators mit steigender Temperatur wenig. Man muss Isolatoren von Halbleitern unterscheiden. Auch Halbleiter haben oft eine geringe Leitfähigkeit. Diese wird aber schnell größer, wenn der Halbleiter erwärmt wird. Auch bei anderen Phänomenen der Leitfähigkeit, z. B. thermische Leitfähigkeit oder akustische Leitfähigkeit, spricht man von Isolatoren, wenn Stoffe eine geringe Leitfähigkeit aufweisen (Wärmeisolator, Schallisolator, Feuchtigkeitsisolator).

Beispiele für elektrische Isolatoren

Beispiele für elektrische Isolatoren sind
- viele Keramiken (zu beachten ist, dass einige Keramiken bei tiefen Temperaturen zu Supraleitern werden!)
- viele organische Verbindungen
- Gläser
- trockene Salze
- die meisten Nichtmetalle,
- Gase (soweit sie nicht bei hohen Temperaturen als Plasma vorliegen)
- Kohlenstoff in der Modifikation Diamant
- Silikon

Anwendungen

Isolatoren finden in der Technik vielfache Anwendung. Sie dienen insbesondere dazu
- Kurzschlüsse zu vermeiden
- elektrische und elektronische Bauteile voneinander zu trennen
- Schalter zu bauen
- zur Befestigung von Leiterseilen von Freileitungen

Bauarten

Als Isolatoren für Fernsprechfreileitungen und Niederspannungsfreileitungen werden meist knopfförmige Keramikkörper gewählt, um deren Kappe das Leiterseil mit einer speziellen Schlinge geschlungen wird. Sie sind im Regelfall stehend auf den Masten montiert. Für Mittelspannung (Bereich 1 kV bis 30 kV) werden meist Isolatoren aus Glas oder Keramik verwendet, die zur Erhöhung des Kriechwegs gerippt sind. Die Leiterseile werden mit besonderen Klemmen befestigt, deren Bauart je nach Anwendungszweck (Trag- oder Abspannklemme) unterschiedlich ist. Es gibt in diesem Spannungsbereich sowohl auf den Traversen der Masten stehende als auch an diesen hängende Isolatoren. Stehende Isolatoren ermöglichen geringere Masthöhen und bieten durch die Mastkonstruktion eine Sicherheit vor dem Herabfallen des Leiterseils, während hängende Isolatoren größere Kräfte auszuhalten vermögen. Sie können für erhöhte statische Anforderungen auch doppelt (nebeneinander angeordnet) sein. In diesem Fall kann ein Isolator im Fall eines Isolatorbruchs noch das Leiterseil tragen. Isolatoren zur Befestigung von Oberleitungen (Fahrleitungen) unterscheiden sich nicht grundlegend von denen für Freileitungen, müssen aber für die besonderen mechanischen Belastungen der Oberleitung ausgelegt sein. Isolatoren für Stromschienen müssen die schwere Stromschiene tragen. Häufig dient auch eine vorhandene Schutzabdeckung als Isolation zur isolierten Befestigung wie bei der Berliner S-Bahn. Schutzabdeckung Isolatoren für Hochspannung (30 kV bis 150 kV) werden nur in hängender Ausführung verwendet. Die Technik der Befestigung der Leiterseile unterscheidet sich nicht von der im Mittelspannungsbereich angewandten Technik. Häufig werden Doppelisolatoren verwendet. Für Bahnstromleitungen werden die gleichen Typen wie für Drehstromleitungen verwendet. Isolatoren für Höchstspannungen (> 150 kV) werden häufig als Ketten aus zwei oder mehreren Isolatoren für Hochspannung hergestellt (Isolatorkette). Daneben kommen auch Langstabisolatoren zum Einsatz. Als Materialien werden neben Glas und Porzellan vermehrt auch hochfeste Kunststoffe verwendet. In Deutschland werden für 380 kV-Leitungen grundsätzlich doppelte Isolatoren verwendet. Für sehr hohe statische Anforderungen können auch drei oder vier parallele Langstabisolatoren oder Isolatorketten verwendet werden. Isolatoren für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung unterscheiden sich prinzipiell nicht von den für Drehstrom verwendeten Typen. Allerdings müssen sie bei gleicher Betriebsspannung im Regelfall länger sein als für Drehstromanwendungen, da sie leicht verschmutzen. Für Hochfrequenzanwendungen werden zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten meist glatte Isolatoren verwendet. Besondere Anforderungen werden an die Isolatoren von selbststrahlenden Sendemasten gestellt, denn diese müssen bei hohen Sendeleistungen Spannungen von bis zu 300 kV und Lasten von bis zu 1000 Tonnen tragen können. Man verwendet hierfür zur Isolation der Pardunen Gurtbandisolatoren aus Steatit und zur Isolierung der Türme und Masten Hohl- oder Massivkörper aus Steatit, auf denen exakt passend der Aufliegekörper, der den Turm oder Mast trägt, befestigt ist. Der Isolator muss bis zum Einbau in einer Preßvorrichtung liegen. Der Turm oder Mast wird zum Einbau des Isolators hydraulisch gehoben und langsam auf dem Isolator abgesetzt.

Optischer Isolator

Unter einem optischen Isolator versteht man eine sog. optische Diode, also ein Ventil für Licht, ein Bauteil, das Licht in eine Richtung passieren lässt und es in der anderen Richtung sperrt. Das funktioniert jedoch nur mit polarisiertem Licht: in einer Richtung wird dessen Polarisationsrichtung um 90° gedreht, in der anderen jedoch nicht. Den gedrehten Anteil kann man mit Polarisationsfiltern oder schrägen dielektrischen Spiegeln (Brewsterfenster) entfernen.

Isolator als Bauelement der Hochfrequenztechnik

In der Hochfrequenztechnik ist ein Isolator ein Bauelement mit zwei Anschlüssen (Ports), dass die elektromagnetische Leistung nur in eine Richtung passieren lässt, während in Gegenrichtung idealerweise keine Leistung übertragen wird. Das in der Praxis endliche Übertragungsverhältnis zwischen Vor- und Rückrichtung wird als Isolation bezeichnet. In der Regel wird ein Isolator mit Hilfe eines Zirkulators realisiert, bei dem einer der drei Ports mit einem Abschlusswiderstand versehen ist. Die Signale werden auf diese Weise zwischen den verbleibenden zwei Ports nur in eine Richtung weitergeleitet, in der anderen Richtung werden sie auf den Abschlusswiderstand umgeleitet und dort in Wärme umgesetzt.

Siehe auch

Nichtleiter, elektrische Leitfähigkeit, elektrischer Widerstand, Leiter, Dielektrikum, Zirkulator Kategorie:Elektrotechnik Kategorie:Elektrische Energie Kategorie:Festkörperphysik ja:絶縁体

Elektrotechnik

Elektrotechnik bezeichnet denjenigen Bereich der Technik, der sich mit allen Aspekten der Elektrizität befasst. Hierzu gehören die elektrische Energieerzeugung, die Energieübertragung sowie alle Arten ihrer Nutzung. Dies reicht von den elektrisch betriebenen Maschinen über alle Arten elektrischer Schaltungen für die Steuer-, Mess-, Regelungs- und Computertechnik bis hin zur Nachrichtentechnik. Die Elektrotechnik ist sowohl eine Ingenieurwissenschaft, die technische Anwendungen erforscht und umsetzt, als auch das Aufgabenfeld diverser Handwerksberufe.

Aufgabengebiete

Die klassische Einteilung der Elektrotechnik war die Starkstromtechnik, die heute als Energietechnik und Antriebstechnik erscheinen und die Schwachstromtechnik, die sich zur Nachrichtentechnik formierte. Als weitere Gebiete kamen die elektrische Messtechnik und die Regelungstechnik sowie die Elektronik hinzu. Die Grenzen zwischen den einzelnen Bereichen sind dabei vielfach fließend. Mit zunehmender Verbreitung der Anwendungen ergaben sich zahllose weitere Spezialisierungsgebiete. In unserer heutigen Zivilisation werden fast alle Abläufe und Einrichtungen elektrisch betrieben oder laufen unter wesentlicher Beteiligung elektrischer Geräte und Steuerungen.

Energietechnik

Die Energietechnik (früher Starkstromtechnik) befasst sich mit der Erzeugung und Übertragung elektrischer Energie und auch der Hochspannungstechnik. Die elektrische Energie wird in den meisten Fällen durch Wandlung aus mechanisch/rotatorischer Energie durch Generatoren erzeugt. Zum klassischen Bereich der Starkstromtechnik gehört außerdem der Bereich der Verbraucher elektrischer Energie und die Antriebstechnik.

Antriebstechnik

Die Antriebstechnik, früher ebenfalls als "Starkstromtechnik" betrachtet, setzt elektrische Energie durch elektrische Maschinen, in mechanische Energie um. Die klassischen Maschinen sind die Synchron-, die Asynchron- und die Gleichstrommaschine, wobei es vor allem im Bereich der Kleinantriebe viele weitere Typen gibt. Neuer ist die Entwicklung der Linearmotoren, die die elektrische Energie direkt in mechanisch/lineare Bewegung umsetzen, ohne den "Umweg" über eine Rotationsbewegung. Die Antriebstechnik spielt eine große Rolle in der Automatisierungstechnik, da hier oft eine Vielzahl von Bewegungen mit elektrischen Antrieben realisiert werden müssen. Genauso spielt die Elektronik in der Antriebstechnik eine große Rolle, zum einen für die Steuerung und Regelung der Antriebe, zum anderen werden Antriebe oft durch Leistungselektroniken mit elektrischer Energie versorgt.

Nachrichtentechnik

Mit Hilfe der Nachrichtentechnik, auch Informations- und Kommunikationstechnik (früher Schwachstromtechnik) genannt, werden mittels elektrischer Impulse oder elektromagnetischer Wellen Informationen von einer Informationsquelle (dem Sender) zu einem oder mehreren Empfängern (der Informationssenke) übertragen. Dabei kommt es darauf an, die Informationen so verlustarm zu übertragen, dass sie beim Empfänger erkannt werden können. (siehe auch Hochfrequenztechnik, Amateurfunk) Ein wichtiger Aspekt der Nachrichtentechnik ist die Signalverarbeitung, zum Beispiel mittels Filterung, Kodierung oder Dekodierung.

Elektronik

Elektronik Die Elektronik befasst sich mit der Entwicklung, Fertigung und Anwendung von elektronischen Bauelementen wie zum Beispiel Kondensatoren und Spulen oder Halbleiterbauelementen wie Dioden und Transistoren. Die Mikroelektronik beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung integrierter Schaltkreise (ICs) aus Halbleiterelementen, zum Beispiel Prozessoren. Die Entwicklung der Leistungshalbleiter (Leistungselektronik) spielt in der Antriebstechnik eine immer größer werdende Rolle, da Frequenzumrichter die elektrische Energie wesentlich flexibler bereitstellen können, als dies beispielsweise mit Transformatoren möglich ist. Die Digitaltechnik lässt sich insoweit der Elektronik zuordnen, als die klassische Logikschaltung aus Transistoren aufgebaut ist. Andererseits ist die Digitaltechnik auch Grundlage vieler Steuerungen und damit der Automatisierungstechnik verbunden. Die Theorie ließe sich auch der theoretischen Elektrotechnik zuordnen.

Automatisierungstechnik

In der Automatisierungstechnik werden mittels Methoden der Steuerungs-, Regelungs- und Digitaltechnik einer oder mehrere manuelle Arbeitsschritte automatisiert bzw. überwacht. Eines der Kerngebiete der Automatisierungstechnik ist die Regelungstechnik. Regelungen sind in vielen technischen Systemen enthalten. Beispiele sind die Regelung von Industrierobotern, Autopiloten in Flugzeugen und Schiffen, Drehzahlregelungen in Motoren, die Stabilitätskontrolle (ESP) in Automobilen, die Lageregelung von Raketen und die Prozeßregelungen chemischer Anlagen. Einfache Beispiele des Alltags sind die Temperaturregelungen in Bügeleisen und Kühlschränken. (siehe auch Messtechnik, Sensortechnik)

Theoretische Elektrotechnik

Die Basis der Theorie und Bindeglied zur Physik der Elektrotechnik sind die Erkenntnisse aus der Elektrizitätslehre. Die Theorie der Schaltungen befasst sich mit den Methoden der Analyse von Schaltungen aus passiven Bauelementen. Aufgebaut auf den Maxwellschen Gleichungen ist die Theorie der Felder und Wellen, kurz, die Theoretische Elektrotechnik.

Geschichte, Entwicklungen und Personen der Elektrotechnik

Theoretische Elektrotechnik] Die Anfänge der Elektrotechnik sind sicher in der Physik zu suchen, aus der sie sich aber spätestens zur Zeit von Thomas Alva Edison und Werner von Siemens zu einer eigenen Disziplin entwickelt hat. Im Anfang standen Entdeckungen rund um die Elektrizität. 1752 erfand Benjamin Franklin den Blitzableiter und veröffentlichte 1751-53 die Resultate seiner Experiments and Observations on Electricity. 53] 1792 machte Luigi Galvani sein legendäres Froschschenkel-Experiment. Von diesen Experimenten angeregt, baute Alessandro Volta um 1800 die so genannte volta'sche Säule, eine erste funktionierende Batterie. 1820 machte Hans Christian Ørsted Versuche zur Ablenkung einer Magnetnadel durch elektrischen Strom. André Marie Ampère führte diese Experimente weiter, und wies 1820 nach, dass zwei stromdurchflossene Leiter eine Kraft aufeinander ausüben. Ampère erklärte den Begriff der elektrischen Spannung und des elektrischen Stromes und legte die Stromrichtung fest. 1820] Faraday leistete einen großen Beitrag auf dem Gebiet der elektrischen und magnetischen Felder, von ihm stammt auch der Begriff der "Feldlinie". Die Erkenntnisse Faradays waren die Grundlage für James Clerk Maxwells Arbeiten. Er vervollständigte die Theorie des Elektromagnetismus zur Elektrodynamik und deren mathematische Formulierung. Die Quintessenz seiner Arbeit, die 1864 veröffentlichten Maxwellschen Gleichungen sind eine der grundlegenden Theorien in der Elektrotechnik. Diese sagte beispielsweise die Existenz elektromagnetischer Wellen voraus, deren Existenz später durch Experimente von Heinrich Rudolf Hertz bestätigt wurden und die die Grundlage jeder Funkübertragung sind. Heinrich Rudolf Hertz] Philipp Reis erfindet 1860 am Institut Garnier in Friedrichsdorf das Telefon und damit die elektrische Sprachübermittlung. Allerdings wurde seiner Erfindung keine große Beachtung geschenkt, so dass erst 1876 Alexander Graham Bell in den USA das erste wirtschaftlich verwendbare Telefon konstruierte und auch erfolgreich vermarktete. Zu den Wegbereitern der "Starkstromtechnik" gehört Werner von Siemens, der 1866 das dynamoelektrische Prinzip entdeckte, und daraus den ersten elektrischen Generator entwickelte. Elektrische Energie war das erste Mal in großer nutzbarer Menge vorhanden. 1879 erfand Thomas Alva Edison die Kohlefadenglühbirne und brachte damit das elektrische Licht zu den Menschen. In der Folge hielt Elektrizität Einzug in immer größere Bereiche des Lebens. Zur gleichen Zeit wirkten Nikola Tesla und Michail von Dolivo-Dobrowolsky, die Pioniere des Wechselstroms waren und durch ihre bahnbrechenden Erfindungen die Grundlagen der heutigen Energieversorgungssysteme schufen. Michail von Dolivo-Dobrowolsky] Erasmus Kittler begründete 1883 an der TH Darmstadt den weltweit ersten Studiengang für Elektrotechnik. Der Studiengang dauerte vier Jahre und schloss mit einer Prüfung zum Elektrotechnik-Ingenieur ab. 1885 und 1886 folgten das University College London (UK) und die University of Missouri (USA), die weitere eigenständige Lehrstühle für Elektrotechnik einrichteten. Die so ausgebildeten Ingenieure waren erforderlich, um eine großflächige Elektrifizierung zu ermöglichen. 1886] 1886] Heinrich Rudolf Hertz gelang 1884 der experimentelle Nachweis der Maxwellschen Gleichungen. Er wies die Existenz elektromagnetischer Wellen nach, er ist somit der Begründer der Grundlagen der drahtlosen Informationsübertragung und damit auch der Nachrichtentechnik. 1896 führt Guglielmo Marconi über 3km die weltweit erste drahtlose Funkübertragung aus. Basierend auf seinen Arbeiten sind ab 1900 erste Sende- und Empfangsanlagen kommerziell verfügbar. John A. Fleming erfindet 1905 die erste Radioröhre, die Diode. 1906 entwickeln Robert von Lieben und Lee De Forest unabhängig voneinander die Verstärkerröhre, Triode genannt, die der Funktechnik einen wesentlichen Impuls gab. John Logie Baird baute 1926 mit einfachsten Mitteln den ersten mechanischen Fernseher auf Grundlage der Nipkow-Scheibe. 1928 folgte der erste Farb-Fernseher. Im selben Jahr gelang ihm die erste transatlantische Fernsehübertragung von London nach New York. Bereits 1931 war seine Erfindung jedoch veraltet, Manfred von Ardenne führte damals die Kathodenstrahlröhre und damit das elektronische Fernsehen ein. 1942 stellt Konrad Zuse den weltweit ersten funktionsfähigen Computer, den Z3, fertig. Im Jahr 1946 folgt der ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) von John Presper Eckert und John Mauchly. Die erste Phase des Computerzeitalters begann. Die so zur Verfügung stehende Rechenleistung ermöglicht es den Ingenieuren und der Gesellschaft, völlig neue Technologien zu entwickeln und Leistungen zu vollbringen. Ein frühes Beispiel sind das Apollo-Projekt und die Mondlandung der NASA. Die Erfindung des Transistors 1947 in den Bell Laboratories (USA) durch William B. Shockley, John Bardeen und Walter Brattain und der gesamten Halbleitertechnologie erschloss der Elektrotechnik sehr weite Anwendungsgebiete, da nun viele Geräte sehr kompakt gebaut werden konnten. Ein weiterer wesentlicher Schritt in diese Richtung war die Entwicklung der Mikrointegration, der Integrierten Schaltkreise (IC) und damit der heutigen Prozessorchips. 1958 erfinden und bauen G.C. Devol und J. Engelberger in den USA den weltweit ersten Industrieroboter. Ein solcher Roboter wird 1960 bei General Motors erstmals in der industriellen Produktion eingesetzt. Industrieroboter sind heute in verschiedensten Industrien, wie z.B. der Automobilindustrie, ein wichtiger Bausstein der Automatisierungstechnik. Im Jahr 1968 erfindet Marcian Edward Hoff, bekannt als Ted Hoff, bei der Firma Intel den Mikroprozessor und läutet damit die Ära des PC's ein. Zugrunde lag Hoffs Erfindung ein Auftrag einer japanischen Firma für einen Desktop-Rechner, den er möglichst preisgünstig realisieren wollte. Die erste Realisierung eines Mikroprozessors war 1969 der Intel 4004, ein 4 Bit Prozessor. Aber erst der Intel 8080, ein 8-Bit-Prozessor, aus dem Jahr 1973 ermöglichte den Bau des ersten PCs, des Altair 8800. Die Firma Philips erfindet 1978 die Compact Disc (CD) zur Speicherung digitaler Informationen. 1982 resultiert dann aus einer Kooperation zwischen Philips und Sony die Audio-CD. 1985 folgt die CD-ROM. Im Jahr 1996 präsentiert die Firma Honda den weltweit ersten funktionsfähigen humanoiden Roboter, den P2. Einen ersten prototypischen humanoiden Roboter, der aber noch nicht voll funktionsfähig war, entwickelte bereits 1976 die japanische Waseda Universität. Aus dem P2 resultierte der zur Zeit aktuellste Android, Hondas ca. 1.20m großer Asimo. Neben vielen elektronischen und elektrotechnischen Komponenten bestehen humanoide Roboter auch wesentlich aus mechanischen Komponeten, deren Zusammenspiel man als Mechatronik bezeichnet.

Siehe auch

:Portal:Elektrotechnik :Portal:Halbleiter :Wikipedia:Liste elektrotechnischer Themen :Liste elektronischer Bauteile :Liste Persönlichkeiten der Elektrotechnik :Liste der Messgeräte und Messverfahren :Elektroindustrie
- Mechatronik

Literatur

- Lindner, Helmut; Brauer, Harry; Lehman, Constans: Taschenbuch der Elektrotechnik und Elektronik Fachbuchverlag Leipzig im Carl-Hanser-Verlag 1999 ISBN 3446210563
- Winfield Hill, Paul Horowitz: Die hohe Schule der Elektronik, Tl.1, Analogtechnik, Elektor-Verlag 2002 ISBN 3895760242
- Winfield Hill, Paul Horowitz: Die hohe Schule der Elektronik, Tl.2, Digitaltechnik, Elektor-Verlag 1996 ISBN 3895760250
- Kurt Jäger (Hrsg.): "Lexikon der Elektrotechniker", VDE-Verlag, 1996, ISBN 3-8007-2120-1
- Wolfgang König: "Technikwissenschaften", Chur: G+B Verlag Fakultas, 1995, ISBN 3-7186-5791-0
- Küpfmüller, Kohn: Theoretische Elektrotechnik und Elektronik (14. Aufl.) Springerverlag, ISBN 3-540-56500-0
- Jens Heinich: Eine kurze Chronik der Funkgeschichte. Dessau: Funk Verlag Bernhard Hein, 2002. ISBN 3-936124-12-4
- Gert Hagmann: Grundlagen der Elektrotechnik. 11., durchges. Aufl., Wiebelsheim 2005, ISBN 3-89104-687-1
- Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. (12. Aufl.) Springerverlag, April 2002, ISBN 3-54042-849-6 ! Kategorie:Ingenieurwissenschaft ja:電気工学 th:วิศวกรรมไฟฟ้า

Elektrischer Strom

Elektrischer Strom ist in der Elektrotechnik und der Physik die Bezeichnung für eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, zum Beispiel Elektronen oder Ionen, in einem Stoff oder im Vakuum. Ein Strom stellt sich ein, wenn sich frei bewegliche Ladungsträger in einem elektrischen Feld befinden. Umgangssprachlich wird elektrischer Strom auch kurz „Strom“ genannt, oft ist jedoch damit die Übertragung elektrischer Energie gemeint. Auch wird Stromstärke, also die pro Zeit fließende Ladung, umgangssprachlich als Strom bezeichnet. Das Fließen eines elektrischen Stromes kann man an verschiedenen Wirkungen feststellen. Hauptsächlich sind dies die Wärmewirkung, die magnetische Wirkung und die chemische Wirkung. Die großtechnische Bereitstellung von elektrischer Energie erfolgt im Kraftwerk, seine Verteilung zu den Verbrauchern im Stromnetz. Die ausreichende Versorgung mit elektrischer Energie ist eine Grundvoraussetzung für das erfolgreiche Funktionieren einer Volkswirtschaft.
- Formelzeichen Stromstärke: I - bei zeitabhängiger Stromstärke auch i oder i(t) (Stromstärke zur Zeit t)
- Einheit Stromstärke: Ampere
- Einheitenzeichen: A

Technische Stromarten: Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom (Unterart des Wechselstrom)

Technische Stromarten:
- Gleichstrom (engl. DC = Direct Current)
- Wechselstrom (engl. AC = Alternating Current)
- Mischstrom / Periodischer Strom.
Ein Mischstrom liegt vor, wenn sich in einem Stromkreis gleichzeitig eine Gleich- und eine Wechselstromquelle auswirken können. Periodische Ströme sind damit eine Überlagerung von Gleich- und Wechselstrom.

Gleichstrom

Im einfachsten Fall fließt ein zeitlich konstanter Strom. Einen solchen Strom nennt man Gleichstrom (engl. direct current). Zu beachten ist die Technische Stromrichtung: Vereinbarungsgemäß wird eine Stromrichtung von Plus nach Minus angenommen. Diese Stromrichtung geht auch in alle physikalischen Gleichungen ein, die den Strom als solchen betreffen. Eine elektrische Spannungsdifferenz ist jedoch immer von Plus nach Minus positiv. Daher ist die technische Stromrichtung sinnvoll und wird üblicherweise verwendet, damit die Richtung von Strom und Spannung identisch ist. Die technische Stromrichtung ist nich zu verwechseln mit der Flussrichtung der Elektronen (negative Ladungträber), die entgegen der technischen Stromrichtung fließen. Physikalische Stromrichtung: Um den Mechanismus des Stromflusses zu verstehen und bestimmte elektrische Eigenschaften von Materialien herzuleiten, betrachtet man die wirkliche Bewegung der Ladungsträger. In Metallen bewegen sich in der Regel Elektronen, also negative Ladungsträger, die vom Minus-Pol zum Plus-Pol fließen, denn am Minus-Pol herrscht ein Überschuss an Elektronen, und/oder am Plus-Pol ein Mangel, der durch den elektrischen Strom ausgeglichen wird sobald der Stromkreis geschlossen wird. In elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten sind gegebenenfalls positive und negative Ladungsträger oder reduzierbare und oxidierbare Stoffe vorhanden, die sich zu den jeweiligen Polen hinbewegen. An den Polen werden sie reduziert bzw. oxidiert, nehmen also an einem Pol Elektronen auf und geben Elektronen an dem anderen Pol ab und überbrücken dadurch die Übertragung von Elektronen im Stromkreis. In einem Experiment mit einer wäßrigen Lösung zur Feststellung der Stromrichtung wurde die physikalisch falsche, technische Stromrichtung ermittelt, da nur die positiven Ladungsträger sichtbar waren, die sich allerdings auf den Minus-Pol zubewegen. Ein anderer Fall tritt bei p-dotierten Halbleitern auf: Hier verhalten sich fehlende Elektronen (so genannte Löcher oder Defektelektronen) wie positive Ladungsträger mit Masse. Als Gleichspannungsquelle kommen galvanische Zellen (Batterien), entsprechende Dynamos (zum Teil mit nachgeschalteter Gleichrichtung), Photovoltaische Zellen (Solaranlagen) oder Schaltnetzteile in Frage. In der Technik häufig anzutreffen ist auch eine Kombination von Transformator und Gleichrichter. Fällt bei gleichbleibender Stromrichtung die Spannung (und damit, sofern ein Verbraucher angeschlossen ist, die Stromstärke) periodisch stark ab, so spricht man von einer pulsierenden Gleichspannung. Gleichrichter liefern beim Umwandeln von Wechselspannung in Gleichspannung meist pulsierende Gleichspannung, sofern die Spannung nicht durch Kondensatoren oder andere Maßnahmen geglättet wird.

Wechselstrom

Neben dem Gleichstrom gibt es auch noch den Wechselstrom (engl. alternating current). Wechselstrom zeichnet sich dadurch aus, dass die Stromrichtung periodisch wechselt (beim Haushaltsstrom in Europa beispielsweise 100 mal pro Sekunde). Die Frequenz (oft auch als Netzfrequenz bezeichnet) des Stromes gibt an, wie oft pro Sekunde der Strom in dieselbe Richtung fließt, dementsprechend hat der europäische Haushaltsstrom bei 230 Volt Nennspannung (eine Phase gegen Nullleiter, eine Phase gegen eine andere Phase 400V) eine Frequenz von 50 Hz. In den USA sind das bei 117 Volt Nennspannung dagegen 60 Hz. Ein Wechselstrom wechselt seine Richtung in jeder Periode zweimal. In Summe über eine Periode gleicht sich der Wechselstrom üblicherweise aus. Um trotzdem Aussagen über die Stromstärke treffen zu können, wird eine effektive Stromstärke für Wechselströme definiert; diese Größe gibt einen Gleichstrom an, mit dem ein dem Betrag nach gleich großer Ladungstransport wie mit dem Wechselstrom erfolgen würde. Für einen sinusförmigen Wechselstrom ergibt sich die effektive Stromstärke als Wurzel des mittleren Quadrates der Stromamplitude.

I=\frac

Ist ein Gleichstrom einem Wechselstrom überlagert, so spricht man auch von Mischstrom.

Drehstrom bzw. Dreiphasenwechselstrom

Zur Energieübertragung wird heutzutage meistens Drehstrom bzw. Dreiphasenwechselstrom verwendet. Beim Drehstrom fließt der Strom in drei Leitern, die Ströme sind jeweils zueinander um eine drittel Periode phasenverschoben, so dass die Summe aller drei Ströme zu jedem beliebigen Zeitpunkt bei gleicher Last auf jeder Phase sich auf Null ausgleicht. Zusätzlich ist, je nach Schaltung, noch ein Neutralleiter vorhanden (Sternschaltung), der Restströme aufnimmt, die durch unterschiedliche Lasten der Ströme in den drei Phasen entstehen. In einem Hauhalt wird üblicherweise (Ausnahme Drehstromsteckdosen) nur eine Phase und der Nulleiter (Neutralleiter) verwendet. Daher gleichen sich die Ströme auf den 3 Phasen üblicherweise nicht aus. Ein Drehstromnetz ist eine elegante Möglichkeit der Wechselspannungsübertragung: Im in Deutschland üblichen 400-V-Drehstromnetz mit jeweils 400 V Wechselspannung zwischen den drei sogenannten Außenleitern herrscht zwischen jedem der Außenleiter und dem Neutralleiter eine Wechselspannung von 230 V. Während man für die Übertragung von drei unabhängigen Wechselspannungen insgesamt sechs Leiter („Drähte“) bräuchte, kommt man in einem Drehstromnetz mit nur vier Leitern aus, wobei der vierte Neutralleiter noch dünner ausgeführt werden kann, da sich bei der angestrebten gleichen, „symmetrischen“ Belastung in den 3 Wechselstromkreisen die Ströme im Neutralleiter sogar völlig aufheben – Einzelheiten siehe Dreiphasenwechselstrom. Aufgrund der unterschiedlichen Last in einem Haushalt sind die Phasen und die Nullleiter mit identischer Stärke versehen. Eine andere Möglichkeit ist das Anschließen eines 400-V-Wechselstrom-Verbrauchers an zwei Außenleitern, denn die Differenz zweier (phasenverschobener) sinusförmiger Spannungen ist wieder eine sinusförmige Spannung (400V). Gleichstrom und Wechselstrom dürfen nicht mit Gleichspannung bzw. Wechselspannung verwechselt werden. Allerdings führt im geschlossenen linearen Stromkreis eine Gleichspannung zu Gleichstrom und eine Wechselspannung zu Wechselstrom.

Physikalischer Mechanismus: Entstehung des Stromflusses

Am Beispiel einer elektrischen Batterie lässt sich das Prinzip des Stromflusses veranschaulichen. Elektrochemische Prozesse in der Batterie bewirken eine Ladungstrennung; die Elektronen werden auf einer Seite gesammelt (Minuspol), auf der anderen Seite herrscht Elektronenarmut (Pluspol). Hierdurch entsteht eine Potentialdifferenz, eine elektrische Spannung. Ladungsträger, die einer Spannungsdifferenz ausgesetzt sind, erfahren durch selbige eine Beschleunigung. Wenn man die beiden Pole der Batterie durch einen elektrischen Leiter mit einem gegebenen elektrischen Widerstand verbindet, bewegen sich die Elektronen vom Minuspol zum Pluspol: Ein elektrischer Strom fließt (technisch von Plus nach Minus). Die Trennung der Ladungen erforderte (chemische) Energie, die wieder frei wird, wenn der Strom fließt. In einem solchen Stromkreis bestimmen die aufgebaute Spannung, abgekürzt U, und die Größe des elektrischen Widerstandes, R, die Stromstärke I. Der Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Widerstand kann durch das Ohmsche Gesetz ausgedrückt werden: :

I=\frac \qquad [I]=\frac=A

Technische Nutzung des elektrischen Stroms

Elektrischer Strom ist heute eine der meist verwendeten Möglichkeiten des Energietransports. So wird heute die gesamte Beleuchtung, die meisten Haushaltsgeräte und die gesamte Elektronik und Rechnertechnik mit elektrischer Energie betrieben. Autos mit elektrischem Antrieb werden als umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen benzinbetriebenen Gefährten propagiert. Auch medizinische Geräte vom Röntgenapparat über den Kernspintomographen bis hin zum Zahnarztbohrer werden mit elektrischer Energie betrieben. Elektrische Energie wird zumeist zentral in Elektrizitätswerken erzeugt und über das Stromnetz an die Haushalte verteilt. Aus ökologischen Gründen wird aber auch zunehmend dezentrale elektrische Energiewandlung, z. B. mittels Photovoltaikanlagen auf privaten Dächern, gefördert. Wichtige Einrichtungen (z. B. Krankenhäuser) sind mit Notstromaggregaten ausgestattet, damit auch bei einem Stromausfall elektrische Energie zur Verfügung steht. Ist eine permanente Verbindung mit dem Stromnetz nicht möglich, z.B. bei Autos oder mobilen Geräten, so muss die elektrische Energie entweder zwischengespeichert oder direkt im Gerät erzeugt werden (z. B. mittels kleiner Solarzellen für Taschenrechner, oder mittels Brennstoffzellen). Eine direkte Speicherung der elektrischen Energie ist nur durch Wandlung in eine andere Energieform möglich, z. B. mittels Batterien oder Akkumulatoren, in einer anderen Größenordnung z. B. bei Pumpspeicherkraftwerken. Ausnahme bilden die Kondensatoren, die aber nur relativ kleine Energiemengen aufnehmen können. Der umgangssprachliche Ausdruck "Strom verbrauchen" ist technisch gesehen nicht richtig, da der Strom, der in ein Gerät hineinfließt, auch wieder hinausfließt. In der Tat ist es beim üblichen Haushaltsstrom sogar so, dass die Elektronen nur im Leiter ein kleines Stück hin- und her "wackeln", ohne dass tatsächlich eine nennenswerte Anzahl von Elektronen aus der Leitung ins Gerät fließt. Was tatsächlich "fließt", ist elektrische Energie. Diese wird ebenfalls nicht verbraucht, wie sich das umgangssprachlich eingebürgert hat, sondern wird umgewandelt, z.B. in mechanische Energie (Motor), Wärmeenergie (Haartrockner) und chemische Energie (z.B. beim Aufladen von Handy-Akkus). Die dabei verrichtete Arbeit (das Produkt aus Spannung, Stromstärke und Zeit) wird durch einen sog. Stromzähler ermittelt. Deswegen wird der "Stromverbrauch" auch in der Energieeinheit Kilowattstunde, und nicht in der Stromeinheit Ampere gezählt. Neben der Energieversorgung spielt der elektrische Strom auch für die technische Kommunikation eine wesentliche Rolle. So basiert das Telefonnetz zumindest am Teilnehmeranschluss bis heute auf elektrischer Signalübertragung. Dies gilt auch für moderne Datenübertragungstechniken wie DSL. Allerdings wird das eigentliche Telefonnetz heutzutage immer mehr auf Glasfaser umgestellt. Ebenfalls auf elektrischen Signalen basiert das Kabelfernsehen. Die Kommunikation mittels elektromagnetischer Wellen basiert zwar nicht direkt auf elektrischem Strom, aber das Aussenden und Empfangen der Wellen ist prinzipiell nur über elektrische Anlagen möglich.

Stromverbrauch Privathaushalte

Deutschland 2002 : 135,7 Terawattstunden Der Stromverbrauch aus den Netzen der allgemeinen Versorgung blieb im ersten Quartal 2004 mit 130 Milliarden Kilowattstunden konstant. Somit nutzt die Wirtschaft ca. 3/4 des erzeugten Stroms und die privaten Haushalte 1/4.

Stromverbrauch nach Haushaltsgeräten in %

- Haushaltsgeräte Kühlen 30 %
- Haushaltsgeräte Kochen, Bügeln, Wäschetrocknen 18 %
- Heizung 17 %
- Klimaanlagen 17 %
- PC, TV, Audio, Telefon 10 %
- Licht 8 %

Stromverbrauch pro Nutzungseinheit

- Wäschetrockner ca. 2 kWh pro Trocknung
- Geschirrspülmaschine ca. 1 kWh pro Füllung
- Kühlschrank alt: 65 Watt = 1,56 kWh pro Tag; 569,4 kWh pro Jahr
- Kühlschrank neu: 20 Watt = 0,48 kWh pro Tag; 175,2 kWh pro Jahr
- Geräte im "Stand by" alt: 10 Watt = 0,24 kWh pro Tag; 87,6 kWh pro Jahr
- Geräte im "Stand by" modern: 2 Watt = 0,048 kWh pro Tag; 17,52 kWh pro Jahr; (Anm.: Ungefährangaben, und sollten noch präzisiert werden) Manche örtlichen Stromversorgungsunternehmen verleihen Energieverbrauchsmessgeräte, mit denen jedes Haushaltsgerät einzeln gemessen werden kann (Momentane Leistung in Watt und Energieverbrauch in kWh in einem Zeitintervall) .

Stromstärketabelle

- Stromstärke I beim Zusammenziehen von Muskeln: 0,015 A = 15 mA
- Loslassgrenze (ab dieser Stromstärke ist der Mensch nicht mehr in der Lage, den Leiter loszulassen, da die Muskeln verkrampfen und nicht mehr von Willen gesteuert werden können): ca. 0,01 A = 10 mA
- Schmerzen und Verkrampfen der Atmung: ca. 0,02 A = 20 mA
- Tödlicher Stromstoß für Menschen: ca. 0,5 A = 500 mA (Diese Stromstärke wird aufgrund des Innenwiderstandes des menschlichen Körpers (ca. 1000 Ohm) erst ab bestimmten Spannungen erreicht, so dass gewöhnliche Batterien sowie elektrische Spannungen bis etwa 12 V in der Regel harmlos sind.) Die Einwirkungsdauer des Stromflusses ist entscheidend für die physiologischen Auswirkungen.
- Strom bei einer Taschenlampe: ca. 0,2 A = 200 mA
- Strom bei einem Ventilator: ca. 0,12 A = 120 mA
- Strom einer Zimmerbeleuchtung: ca. 0,2 A bis 1 A (200 mA bis 1000 mA)
- Strom zum Betrieb einer Elektrolokomotive: über 300 A
- Strom in einem Blitz: ca. 100.000 A Ein Fehlerstrom von ca. 300 mA (z.B. durch Isolationsfehler) kann bei Netzspannung von 230 V bereits als Zündquelle für leicht entzündliche Stoffe wirken.

Physikalische Zusammenhänge

- Die Stromstärke I (in Ampere) ist: :

I = \frac

Ladung Q (in Coulomb)
Zeit t (in Sekunden)
:

I = \frac = \frac = \sqrt

Spannung U (in Volt)
Widerstand R (in Ohm)
Elektrische Leistung P (in Watt)

Siehe auch

- Elektrizität
- Elektrostatik
- Elektrodynamik
- Stromerzeugung
- Ableitstrom
- Strom-Spannungs-Kennlinie
- Liste der größten Stromproduzenten

Weblinks

- [http://www.technikbase.de/index.php?&id=1_20_1_9&popup=uri POPUP-MiniTool für Strom Spannung Widerstand]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-ohm.htm Berechnung: Elektrischer Strom]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph10/materialseiten/m02_stromstaerke.htm Versuche und Aufgaben zur Stromstärke]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-ohmschesgesetz.htm Das ohmsche Gesetz]
- [http://www.elektronikinfo.de/strom/strom.htm Elektrischer Strom - CC-Info] Kategorie:Theoretische Elektrotechnik ja:電流 ko:전류

Isolierung

Eine Isolierung oder Isolation bedeutet den Vorgang des getrennt haltens von Dingen oder Individuen, oder eine Einrichtung zu diesem Zweck. Das Verb isolieren wurde aus dem französischen isoler entlehnt, und dieses wiederum aus dem italienischen isolare, das von isola (Insel) kommt. Unter Isolation versteht man
- in der Technik eine Einrichtung zur Verhinderung des Durchgangs von Stoff oder Energie
- Eine Bauwerksisolierung sind Maßnahmen, wie Anstriche, die das Eindringen von Nässe verhindern.
- Eine Wärmeisolierung von Gebäuden oder Bauteilen bezeichnet man korrekt als Wärmedämmung.
- In der Elektrotechnik ist eine Isolierung der Schutz der stromführenden Teile gegen Berührung. Siehe: Isolator, Isolierband, Optische Isolation.
- Als isoliert bezeichnet man Behälter, in deren Wandung sich ein Vakuum oder ein Wärmedämmstoff (Schaumstoff, Vlies o.ä.) befindet, das den Inhalt möglichst vollständig umgibt und warmhält (z.B. Thermosflasche, Thermoskanne) oder kalt hält (z.B. Kühltasche, Kannen für flüssigen Stickstoff).
- In der Hochenergiephysik gibt es verschiedene Verfahren zur Isolation durch Kraftfelder, z.B. die magnetische Flasche.
- Sollen Bewegungen (speziell Schwingungen) eines Körpers nicht auf einen anderen übertragen werden, so müssen diese voneinander Isoliert werden. Es existiert dabei passive und aktive Schwingungsisolation.
- in der Biologie eine der Ursachen für Evolution, siehe Isolation (Biologie);
- in der Infektiologie eine Maßnahme zur Verhütung von Infektionen, siehe Isolierung (Medizin) sowie Quarantäne;
- eine Eigenschaft von Datenbanken, siehe en.: Isolation (computer science).
- In der Topologie sind Punkte einer Menge isoliert, wenn sie keine Häufungspunkte dieser Menge sind, siehe Isolierter Punkt.
- In der Sozialpsychologie ist soziale Isolation einen schwerer Mangel an Sozialkontakten.
- Politisch versteht man unter Isolationismus Bestrebung einer Nation, sich vom Ausland abzusondern.
- die Isolationshaft ist eine umstrittene Methode des Strafvollzugs.
- In der Psychoanalyse wird mit Isolierung eine bestimmte Form der Abwehr (Abwehrmechanismus) bezeichnet.

Spezifischer Widerstand

Der spezifische Widerstand (Formelzeichen ρ griech. rho) ist eine temperaturabhängige Materialkonstante. Er soll jetzt Resistivität heißen. Der elektrische Widerstand eines homogenen elektrischen Leiters lässt sich aus den Werten des Materials errechnen. Die abgeleitete SI-Einheit ist [ρ]_SI = Ω · m (gekürzt aus dem anschaulichen Ω · mm² / m). Je reiner Metalle sind und je niedriger ihre Temperatur ist, desto geringer ist ihr spezifischer Widerstand. Unterhalb der Sprungtemperatur verschwindet er ganz. Man spricht in diesem Fall von Supraleitung. Der Widerstand eines Leiters mit einem über seine Länge konstanten Querschnitt beträgt
:

R=\rho\cdot\frac

wobei R der elektrische Widerstand, ρ der spezifische Widerstand, l die Länge und A die Fläche des Querschnitts (Schnitt senkrecht zur Längsachse eines Körpers) eines Leiters ist, aber Querschnitt A und Durchmesser d nicht zu verwechseln sind. Die Voraussetzung für die Gültigkeit dieser Formel für den elektrischen Widerstand R ist eine konstante Stromdichteverteilung über den Leiterquerschnitt A, d.h. an jedem Punkt des Leiterquerschnitts ist die Stromdichte S gleich groß. Nährungsweise ist das gegeben, wenn die Länge des Leiters groß im Vergleich zu den Abmessungen seines Querschnitts ist und der Strom 'lange genug' fließt (siehe Skineffekt). Der spezifische Leitwert σ ist gleich dem Kehrwert des spezifischen Widerstands. Man nennt den spezifischen Leitwert auch Leitfähigkeit. Die Einheit ist Siemens/Meter (S/m).

Unterscheidung von Leitern, Halbleitern und Isolatoren

Die Unterscheidung erfolgt anhand des spezifischen Widerstands.
- Leiter: ρ < 10⁻⁴ Ωcm
- Halbleiter: ρ = 10⁻⁴ Ωcm .. ρ = 10¹² Ωcm
- Isolatoren oder Nichtleiter: ρ > 10¹² Ωcm

Tabelle für den spezifischen Widerstand (18 °C)

Kategorie:Theoretische Elektrotechnik Kategorie:Werkstoffeigenschaft ja:%E9%9B%BB%E6%B0%97%E6%8A%B5%E6%8A%97%E7%8E%87

Leitfähigkeit

Als Leitfähigkeit bezeichnet man die Fähigkeit eines chemischen Stoffes oder Stoffgemisches, physikalische Parameter oder andere Stoffe im Raum zu transportieren. Man unterscheidet
- Elektrische Leitfähigkeit (für elektrischen Strom)
- Wärmeleitfähigkeit/Thermische Leitfähigkeit (für Wärme)
- Akustische Leitfähigkeit (für Schall)
- Kapillare Leitfähigkeit (für Feuchtigkeit im Bauwesen) Die Fähigkeit von Stoffen, elektrischen Strom und Wärme zu leiten, ist häufig ähnlich ausgeprägt. So sind Metalle gleichzeitig gute Leiter für elektrischen Strom und für Wärme. Kategorie:Physik

Keramik

Die Bezeichnung Keramik stammt aus dem Altgriechischen. „Keramos“ war die Bezeichnung für Ton und die aus ihm durch Brennen hergestellten formbeständigen Erzeugnisse. Die Produktion von Keramik gehört zu den ältesten Kulturtechniken der Menschheit. Ihre älteste Nutzung scheint bei semi-seßhaften Jägerkulturen im Gebiet des oberen Nil erfolgt zu sein. Ihre enorme Verbreitung verdankt sie aber ursprünglich den erweiterten Möglichkeiten zur Aufbewahrung (Vorratshaltung) von Nahrung wie sie mit dem Neolthikum erforderlich wurde. Keramik spielt eine wesentliche Rolle im Rahmen der Determination neolithischer Kulturen. Das Ausgangsmaterial Ton bot jedoch schon sehr früh auch Anreize zu künstlerischer Gestaltung. Heute ist der Begriff breiter gefasst. Keramiken sind weitgehend aus anorganischen, feinkörnigen Rohstoffen unter Wasserzugabe bei Raumtemperatur geformte und danach getrocknete Gegenstände, die in einem anschließenden Brennprozess oberhalb 900°C zu harten, dauerhafteren Gegenständen werden. Der Begriff schließt auch Werkstoffe auf der Grundlage von Metalloxiden ein. Keramik wird heute im zunehmenden Maße für hochtechnische Einsatzzwecke, z.B. bei der Sinterung, genutzt. Eine strenge Systematik der Keramik – wie beispielsweise bei Metall-Legierungen – ist kaum möglich, weil es hinsichtlich der Rohstoff-Zusammensetzung, des Brennvorgangs und des Gestaltungsprozesses fließende Übergänge gibt. Keramische Produkte werden deshalb häufig nach den jeweils im Vordergrund der Betrachtung stehenden Aspekten unterschieden:
- Beschaffenheit des Materials: Grob- und Feinkeramik
- Verwendungszweck: z. B.
- Baukeramik
- Sanitärkeramik
- Tischgeschirr
- Zierkeramik
- technische Keramik
- feuerfeste Keramik
- Besondere Eigenschaften: z. B.
- Wasseraufnahmevermögen, Porosität
- DE (Druckerweichen)
- DFL (Druckfliesen)
- ARF (Abriebfestigkeit)
- KDF (Kaltdruckfestigkeit)
- KBF (Kaltbiegefestigkeit)
- TWB (Temperaturwechselbeständigkeit)
- WAK (Wärmeausdehnungskoeffizient)
- Dichte
- Korngrößenverteilung der Rohstoffe
- chemische Zusammensetzung
- Regionale Keramiktypen: z. B.
- Westerwälder Keramik
- Bunzlauer Keramik
- ursprünglich auch Majolika und Fayence Bedeutsam ist die Unterteilung in Grob- und Feinkeramik. Zur ersteren gehört die große Gruppe der Baukeramik (z. B.: Bau- und Dachziegel, Kanalisationsrohre); die Produkte sind dickwandig, häufig inhomogen, von oft zufälliger Färbung. Feinkeramik ist dagegen feinkörnig (unter 0,05 mm), von definierter Färbung (z. B. weiß für Haushaltskeramik, Tischgeschirr und Sanitärkeramik); hierher gehören auch die künstlerischen Erzeugnisse. Feinkeramik erfordert bezüglich Aufbereitung der Rohmasse, der Formgebung und des Trocknens sowie Brennens eine erheblich größere Sorgfalt als bei Herstellung von Grobkeramik nötig ist. Die Eigenschaften keramischer Produkte werden bestimmt durch Art und Menge der in ihnen enthaltenen Kristalle und die als Bindung funktionierende Verglasungen. Keramiken sind formbeständig, geschmacks- und geruchlos.

Keramische Rohstoffe

Allgemeine Anforderungen

Die Auswahl und Mischung der Rohstoffe muss folgenden Forderungen genügen: Gute Formbarkeit der Masse, geringer Schwund beim Trocknen und Brennen, hohe Standfestigkeit beim Brennen, geringe oder keine Verfärbung des Endproduktes.

Ton

Ton ist ein wasserhaltiges Aluminiumsilikat (Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O). Man unterscheidet zwischen Primärton und Sekundärton.

Entstehungsgeschichte

Als die Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren entstand, war sie zunächst weitgehend glutflüssig. Allmählich bildeten sich einzelne Schichten heraus: schwere Elemente sanken zum Erdinneren ab und leichtere stiegen zur Erdoberfläche, wo sie abkühlten und erstarrten. Die geschmolzenen Elemente vereinigten sich zu einem glühenden, flüssigen Gesteinsbrei, dem so genannten Magma, welches aus der Tiefe nach oben stieg, an der Erdoberfläche abkühlte und das Erstarrungsgestein bildete. So entstand eine feste Kruste, die Erdrinde. Diese Erdrinde oder Lithosphäre reicht bis zu 1200 km in die Tiefe. Darunter befindet sich das flüssige Magma, das noch heute bei Vulkanausbrüchen an die Erdoberfläche steigt. Der Erdkörper ist von verschiedenen Schalen umgeben, von denen die Erdrinde die größte Bedeutung hat. Sie besteht aus zwei Bereichen, der äußeren Silikathülle mit einer Tiefe von 60-120 km und der darunter liegenden Eklogitschale, die bis zu einer Tiefe von 1200 km reicht.

Erstarrungsgesteine

Erstarrungsgesteine unterscheidet man nach dem Ort und der Art ihrer Erstarrung; die Gesteine sind Quarz, Glimmer und Feldspat.
- Tiefengesteine sind sehr langsam in der Tiefe erstarrt und konnten daher grobkristallines Gefüge bilden, wie zum Beispiel Granit, Gabbro.
- Ganggesteine entstanden aus aufsteigendem Magma, das die Erdoberfläche nicht erreicht hat, sondern sich in darunter liegenden Gängen ausbreitete. Es ist, je nach Lage der Gänge, unterschiedlich schnell erstarrt. Je langsamer ein Gesteinsbrei erstarrt ist, umso besser konnten sich Kristalle bilden. Bei der langsamer Abkühlung konnten die Kristalle ungestört wachsen, und es bildeten sich Lagerstätten mit wertvollen Mineralien.
- Ergußgesteine - hierbei erreichte das Magma die Erdoberfläche - kühlte schnell ab und erstarrte. Es konnten sich daher keine größeren Kristalle bilden. Ihre Grundmasse ist feinkörnig, Beispiele hierzu sind Basalt, Porphyr. Ton ist ein Verwitterungsprodukt von feldspalthältigem Urgestein wie Granit, Gneis, Quarzporphyr, das sich durch versch. mech. und chem. Einflüsse, Klimawechsel, Eisdruck, Wasser, Humussäure, Schwefel- Kohlensäure veränderte. Tonlager bilden sich im Laufe von Jahrmillionen. Tonhaltige Böden zeichnen sich dadurch aus, dass sie leicht Wasser und mineralische wie organische Nährstoffe binden können. Ton ist ein Verwitterungsprodukt feldspalthaltiger Sedimentgesteine, Tiefen- und Eruptionsgesteine wie zum Beispiel Quarz. Feinstkörnige Teilchen, Ton, mit einem Korndurchmesser von 0,002 mm, entstehen durch Erosion, d. h. durch die mechanische und organische Verwitterung, der Einwirkung von Wind, Frost, Wasser usw. verschiedener Gesteine. Starker Temperaturwechsel, Oxidationsvorgänge, Fäulnis- und Zersetzungsprozesse durch Bakterien und Spaltpilze spielen bei der Verwitterung eine große Rolle. Andere organische Substanzen, Holz und Sand sind Beimengungen und nehmen Einfluss auf das Aussehen und die Eigenschaften der Tone.

Plastische Rohstoffe

Kaolin, auch Porzellanerde genannt, ist ein Verwitterungsprodukt von Feldspat. Es besteht weitgehend aus Kaolonit, einem hydratisierten Mischkristall aus Aluminium- und Siliziumoxid, begleitet von Quarzsand, Feldspat und Glimmer. Letztere Verunreinigungen werden durch Schlämmen und Sieben entfernt, das Endprodukt muss möglichst plastisch, beim Trocknen formstabil und nach dem Brennen weiß sein. Zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften werden Kaoline unterschiedlicher Herkunft gemischt; um ein gutes Gießverhalten zu erreichen, gibt man noch Plastifizierungsmittel, wie Wasserglas und/oder Soda zu. Tone, Lehme sind ebenfalls Verwitterungsprodukte des Feldspates und verwandter Mineralien. Die Hauptbestandteile sind Illit, Montmorillonit und Kaolonit, die Korngrößen reichen herab bis 0,002 mm. Je nach Verwendungszweck unterteilt man diese Rohstoffe ein in Steinzeugtone, Steinguttone, Töpfertone und -lehme. Mergeltone haben einen hohen Gehalt an Kalk, der stark verflüssigend wirkt. Da an solchen Scherben Blei- und Zinnglasuren sehr gut haften, werden sie häufig für Kacheln und Fliesen eingesetzt. Bentonite sind ein Verwitterungsprodukt vulkanischen Ursprungs, sie wirken bereits bei geringen Zugaben sehr stark plastifizierend, verbessern die Formbarkeit und die Standfestigkeit während des Trocknungsprozesses.

Nichtplastische Rohstoffe

Feldspate sind im Vergleich zum Kalk ebenfalls gute Flussmittel, die aber mit steigender Brenntemperatur eine höhere Verdichtung der Erzeugnisse bewirken. Der Trocknungsschwund wird zwar reduziert, der Schwund beim Brennen steigt jedoch. Quarz senkt als Magerungsmittel den Trocknungs- und Brennschwund, verschlechtert jedoch die Plastizität. Quarz wird als feinstkörniger Sand oder als gemahlenes Ganggestein eingesetzt, er muss möglichst rein sein, um unerwünschte Verfärbungen zu vermeiden. Kalk wird als geschlämmte Kreide oder als gemahlener Kalkstein eingesetzt. Als Magerungsmittel unterstützt er die Formstabilität beim Trocknen, beim Brennen wirkt er als Flussmittel. Allerdings liegen sein Sinter- und sein Schmelzpunkt nahe beieinander, bei zu hohen Brenntemperaturen besteht mithin die Gefahr von Deformationen. Schamotte, als gemahlener gebrannter Ton oder Tonschiefer, ist ein Magerungsmittel, das die Porosität erhöht und die Trocknungs- und Brennschwindung reduziert. Magnesiummineralien (Talkum, Magnesit) verleihen den Erzeugnissen eine hohe Temperaturwechselfestigkeit; sie werden bevorzugt für elektrotechnische Produkte eingesetzt.

Andere Zusatzstoffe

Organische Plastifikatoren sind z. B. Leim, Wachse, Gelatine, Dextrin, Gummiarabikum, Paraffinöl. Sie verbessern die Formbarkeit und verbrennen beim Brennprozess. Feingemahlene Ausbrennmittel wie Säge- und Korkmehl, Stärke, Kohlenstaub machen den Scherben porös und leicht und können interessante Oberflächeneffekte erzeugen; sie verbrennen ebenfalls beim Brand.

Verwitterungsarten

Man unterscheidet zwischen den folgenden Arten:
- Mechanische / Physikalische Verwitterung: Wasserdämpfe und Wasser steigen aus dem Erdinneren auf und durchbrechen die Urgesteinslager als sprudelnde Quellen. Regen, Eisdruck, Frost, Wind, Sonne zersetzen und bauen Urgestein ab.
- Chemische Verwitterung: Chemische Zersetzung des Gesteins durch Schwefel- und Kohlensäure einiger Quellwasser, durch vulkanische Gase und Humussäure der Pflanzen.
- Organische Verwitterung: Anreicherung der Erde mit Kohlenstoff und Stickstoff durch Mikroben, Bakterien, Tiere, Pflanzen. Während der Lagerzeit kann es nicht zu chemischen Umbildungen kommen. Die Tonlagerstätten werden heute maschinell, mit Bagger und Lader im Tagebau ausgebeutet. Der abgebaute Ton kann jedoch in den meisten Fällen nicht sofort verwendet werden. Er wird in Schlämmprozessen gereinigt und zu Tonmehlen oder Fertigmassen aufbereitet. Abgesehen von der Verwitterung unterscheidet man auch zwischen Primär- und Sekundärtonen.

Aufbereitung der Rohstoffe

In der industriellen Keramikproduktion werden die Komponenten, nachdem sie teilweise vorgebrannt wurden, entsprechend der Rezeptur gemeinsam in Trommelmühlen fein gemahlen. Nach dem Schlämmen unter Zugabe von Wasser wird dieses in Filterpressen wieder weitgehend entfernt. Der zurückbleibende Filterkuchen wird getrocknet und nochmals gemahlen. In dieser Form wird die Rohmasse entweder gelagert oder sofort unter Zugabe von Wasser und verflüssigenden Hilfsstoffen in Maschinen geknetet und ggf. entlüftet. Daneben hat in jüngerer Zeit die halbnasse und die trockene Aufbereitung bei der industriellen Herstellung Bedeutung gewonnen. In der Töpferwerkstatt wird z.T. noch heute dieser Prozess in aufwändiger Handarbeit durchgeführt. Da Mahlwerke oft nicht zur Verfügung stehen, kommt dem Schlämmen große Bedeutung zu. Die Homogenisierung der Masse wurde in mühsamer Knetarbeit erreicht, heute stehen dafür meist Maschinen zur Verfügung. Ziel ist es, eine möglichst homogene, geschmeidige und blasenfreie Arbeitsmasse zu erzeugen.

Die Formgebung

Die Formgebung erfolgt bei Grobkeramik u.a. durch Strangpressen (z.B. Rohre) oder durch Formpressen. Feinkeramik wird (analog der historischen Entwicklung) durch folgende Verfahren geformt:
- Modellieren
- Aufbauarbeit aus einzelnen Strängen (z.B. bei Hohlgefäßen)
- Drehen rotationssymmetrischer Hohlgefäße auf der Töpferscheibe
- Gießen dünnflüssiger Mischungen in geteilte Gipshohlformen, die das Wasser aufsaugen
- Formgebung auf motorgetriebenen Scheiben in Hohlformen mit Hilfe von Schablonen (sog. Eindrehen und Überdrehen)
- Pressen und Stanzen oder Fräsen
- Spritzguss
- Foliengießen Industriell hat die halbtrockene und die trockene Formgebung Bedeutung erlangt, weil die Trocknungszeiten sehr verkürzt werden und eine hohe Maßhaltigkeit der Produkte erreicht wird. Foliengießen

Das Trocknen

Nach der Formgebung ist der Rohling feucht durch # mechanisch eingeschlossenes Wasser in den Hohlräumen # physikochemisch gebundenes Wasser (Adhäsion, Kapillarwasser) # chemisch gebundenes Wasser (Kristallwasser) Die Trocknungsgeschwindigkeit hängt außer von dem umgebenden Klima stark von der Rezeptur der Rohmasse ab. Um die Trocknungsgeschwindigkeit zur Vermeidung von Rissen niedrig zu halten, können die Rohlinge abgedeckt werden. Industriell erfolgt das Trocknen in klimatisierten Räumen. Das unter Nr. 2, insbesondere aber das unter Nr. 3 genannte Wasser wird allerdings erst durch den Brand vertrieben.

Die drei Stadien des Trocknens

#Lederhart: Der Scherben lässt sich nicht mehr verformen, besitzt aber noch soviel Feuchtigkeit, dass man ihn dekorieren kann. #Lufttrocken: Der Scherben gibt bei Raumtemperatur keine Feuchtigkeit mehr ab und fühlt sich kühl an. #Brennreif: Der Scherben fühlt sich nicht mehr kühl an, sondern erweist sich als bedingt saugfähig. (Versuch: Zunge bleibt an Scherben kleben.)

Der Brennprozess

Der Brennprozess (Rauh- oder Schrühbrand) - Sintern genannt - ist sehr problematisch und erfordert eine sorgfältige Steuerung. Im so entstehenden „Scherben“ werden die Kristalle miteinander verfilzt und durch glasige Anteile verkittet. Anteil und Art der Kristall- und Glasphase sowie der Poren bestimmen die Eigenschaften des gebrannten Gutes. Die angewandten Temperaturen (bis etwa 1350 °C; teilweise erheblich höher) hängen von der Rohmischung, also von dem zu erzeugenden Produkt ab und müssen in vielen Fällen während des Brennprozesses variiert werden (Temperaturprofil). Überdies ist es häufig wichtig, dass der Prozess zeitweilig unter reduzierender Atmosphäre verläuft (z.B. Vermeiden von Gelbfärbung durch Eisenverunreinigungen bei weißem Geschirr oder bei Sanitärkeramik). Eingesetzt werden Kammer-, Tunnel-, Ringöfen. Für den Handwerksbetrieb kommen elektrische Öfen oder mit fossilen Brennstoffen befeuerte Öfen in Frage. Hier ist zu unterscheiden zwischen offenen Systemen, bei denen die Brenngase (mit unterschiedlicher Flammführung) in unmittelbaren Kontakt mit der Ware treten und Muffelöfen, bei denen die Brenngase das Brenngut indirekt erhitzen.

Glasuren

Glasuren sind dünne, glasartige Überzüge, die zwei wesentliche Forderungen erfüllen. Zum einen machen sie den porösen Tonkörper wasserdicht und geben ihm eine leicht zu reinigende Oberfläche. Zum anderen ermöglichen sie eine abwechslungsreiche, dekorative Gestaltung der Keramiken. Glasuren können farbig, transparent oder deckend, glänzend, halbmatt oder matt sein. Sie können weich und niedrig schmelzend (max. 1000 °C) oder hart und hoch schmelzend (Über 1200 °C) sein. Nach ihrer chemischen Zusammensetzung kann man z.B. zwischen Borosilikat-, Feldspat-, Salz- und bleihaltigen Glasuren unterscheiden. Die Glasuren werden häufig (z.B. Tonwaren) erst nach dem Schrühbrand der Ware aufgebracht (Tauchen, Spritzen, Pinseln, Stempeln) und in einem erneuten Brennprozess (Glattbrand), der aber unterhalb der Brenntemperatur des Rohlings liegen muss, verglast.

Orientierende Einteilung Keramischer Massen

Tunnel- 1 Irdengut
- Tonerde bzw. Kaolin u. ggf. Quarz u./o. Feldspat, Kalk. Poröse, nicht durchscheinende, kristallisierte Scherben. 1.1 Baukeramik
- Nicht feuerfest. Ziegelsteine, Formsteine (1200 ··· 1350 °C), Klinker, Dränrohre (1000 ··· 1150 °C), Dachziegel 1.2 Feuerfeste Massen
- Schamottesteine für Herde, Öfen (1300 °C). Sillimanit, Magnesit, u.a. zur Auskleidung von Industrieöfen in der Eisen- und Zementindustrie (1500 °C) 1.3 Sonstiges Irdengut 1.3.1 Steingut
- Reinweißer bis elfenbeinfarbener, poröser Scherben mit durchsichtiger Glasur. Rauhbrand 1150 ··· 1250 °C; Glasurbrand >960 °C, aber unterhalb der Raubrandtemperatur; meist durchscheinend oder farblos. 1.3.1.1 Kalk- oder Weichsteingut
- Ton, Kaolin, Quarz, Kalk. Brenntemperatur 1120 ··· 1150 °C. Besonders für Unterglasurmalerei geeignet. 1.3.1.2 Feldspat- oder Hartsteingut
- Ton, Kaolin, Quarz, Feldspat. Brenntemperatur 1220 ··· 1250 °C. Frostsichere Wandplatten, Sanitärartikel, Geschirr. 1.3.1.3 Mischsteingut
- Ton, Kaolin, Quarz, Kalk, Feldspat. Wandplatten, Geschirr. 1.3.2 Tonwaren
- Flussmittelreiche Tone, bis 40 % Kalk 1.3.2.1 Unglasierte Tonwaren
- Gelb bis rot gebrannte wetterfeste Keramik. Terrakotta (Zugabe von Schamotte- oder Ziegelmehl); Figuren, Gebrauchs- und Ziergegenstände, Blumentöpfe. 1.3.2.2 Glasierte Tonwaren 1.3.2.2.1 Majolika
- Eine zuverlässige Differenzierung zwischen Majolika und Fayence ist nicht möglich, weil diese Bezeichnungen in der Literatur wechselweise benutzt werden. Ursprünglich: Farbiger poröser Scherben mit undurchsichtiger farbiger Glasur. 1.3.2.2.2 Fayence
- Eine zuverlässige Differenzierung zwischen Majolika und Fayence ist nicht möglich, weil diese Bezeichnungen in der Literatur wechselweise benutzt werden. Ursprünglich: Weißer, gelbgrauer oder hell-rot-braune, poröser Scherben, weiße deckende Glasur. 1.3.2.2.3 Sonstige Töpferware
- Weißer, ocker bis rotbrauner poröser Scherben mit mattem, feinkörnigem Bruch. Brenntemperatur 1000 ··· 1200 °C. Von Hand (Töpferscheibe, Gießverfahren) oder mittels Presse geformte Tonwaren. Geschirr, Gerätschaften für Haus und Garten, Zierkeramik. 2 Sinterzeug
- Tonerde bzw. Kaolin u. gff. Quarz u./o. Feldspat, Kalk. Nichtkristallisierte dichte Massen, nicht oder nur an den Kanten durchscheinend, hohe Festigkeit 2.1 Steinzeug
- Dicht, nicht durchscheinend. Scherben auch farbig meist aber hell. 2.1.1 Grobsteinzeug (nicht weißbrennend)
- Brenntemperatur 1100 bis 1400°C. Häufig Lehm- oder Anflugglasur. Klinker, Fliesen, Tröge, Kanalisationsrohre, Gefäße für die chem. Industrie. 2.1.2 Feinsteinzeug (weiß- oder hellbrennend, ähnlich dem Porzellan)
- Ton, Quarz, Feldspat. Brenntemperatur 1250 bis 1300°C (gemeinsamer Rauh- und Glasurbrand). Porzellanähnlich. Geschirr, Sanitärartikel, chemische Geräte, Mosaiken, Ziergefäße. Übergangsform zum Porzellan: Porzellangut, Halbporzellan, Vitreous China. 2.2 Porzellan
- Hartporzellan: Dichter transparenter Scherben. Kaolin, Quarzsand, Feldspat. Rauhbrand 900°C, Glasurbrand 1400°C. Gebrauchs- und Ziergeschirr Weichporzellan hat eine ähnliche Zusammensetzung aber eine niedrigere Temperatur für den Glasurbrand. Bevorzugt für Zierplastiken. 3 Keramische Sondermassen
- Dazu zählen Raku, Paperclay und technische Massen für Dentalkeramik, die hochgesinterte Oxidkeramik für Schneid- und Schleifkörper (Aluminium-, Zirkonium-, Magnesium-, Beryllium-, Thoriumoxid; frei von Siliziumdioxid). Im weiteren Sinne gehören dazu auch die Ferrite und Titanate. 3.1 Hochtemperatur-Sondermassen (auch Mischkeramik genannt)
- Hochfeuerfeste Oxidkeramik mit geringen Beigaben verschiedener Metalle. Zähigkeit der Metalle ist hier mit der Korrosionsbeständigkeit und Feuerfestigkeit der Keramik vereint. Verwendung als Turbinenschaufeln oder als Schneidwerkzeuge. 3.2 Elektrotechnische Sondermassen
- Elektroporzellan für Isolatoren, Titanoxid-Keramik für Kondensatoren, Piezokeramik für elektroakustische Wandler, Werkstoffe für Magnete, Halbleiterwiderstände. Als Grobkeramik werden die Klassen 1.1; 1.2; 2.1.1 bezeichnet. Alle anderen zählen zur Feinkeramik: Ausgewählte Rohstoffe, sorgfältige Aufbereitung der Mischungen, aufwändigere Formgebung, z. T. von Hand, z. T.

Keramik im 20. Jahrhundert

Keramik ist nicht gleich Keramik, früher wurden einfache Gegenstände hergestellt, heutzutage umfasst aber der Begriff der Keramik noch viel mehr.
- Tonwaren, Porzellan, Ziegel und Fliesen sowie Steinzeug hergestellt
- keramische Isolierstoffe
- bestimmte Teile für die Luft- und Raumfahrtechnik
- Beständigkeit von Keramik gegen konzentrierte Säuren wurde bereits im Mittelalter genützt, indem man diese in Keramikbehältern aufbewahrte
- für Kugellager verwendet, die den Vorteil haben, dass man sie nicht schmieren muss
- als „Haut“ für das Spaceshuttle
- als Bremsen mit einer besonders langen Lebensdauer in der KFZ- Technik
- in der Freizeitindustrie für Skier und Tennisschläger
- in der Küche für besonders effiziente Kochplatten
- Bei Siemens erkannte man die ausgezeichnete Eignung des Porzellans als Elektro- Isolierstoff
- Biokeramik- künstlichen Zähnen, für Knochen oder Gelenksersatz
- An der Berliner Charité testet man eine neue Krebstherapie mit keramischen Feinstpulvern. Dabei werden Keramikpartikeln in die Tumore gespritzt und anschließend durch Magnetfelder erhitzt, um sie zu zerstören
- Sanitärbereich (Spülbecken, Toiletten), als Baumaterial (Ziegeln, Fließen), als Geschirr oder sind Kunstgegenstände.
- Keramikbremse, keramischer Minimotor, dann wird die harte spröde Keramik durch bestimmte Zusätze biegsam

Siehe auch

Künstlerische Keramik, Porzellan, Glaskeramik, Kalkspatz, Töpferei, Raku

Literatur

- Kleine Enzyklopädie Technik, Bibliographisches Institut, Leipzig, 1972
- Lueger Lexikon der Technik, hier "Werkstoffe und Werkstoffprüfung – Grundlagen" (vier Bände), Rowohlt Taschenbuch-Verlag, Reinbek, 2003, ISBN 3499190087
- P. Rada: Die Technik der Keramik, Dausien 1989, ISBN 3-7684-1868-5
- Sven Frotscher: dtv-Atlas Keramik und Porzellan, München 2003, ISBN 3-423-03258-8

Weblinks

- [http://www.milan-keramik.de Milan-Keramik in Münster] (Töpferei Homepage mit ausführlichen Beispielen und Bildern zu verschiedenen Techniken in Keramik, Porzellan und Raku, inkl. Video über die Raku-Brenntechnik) ! Kategorie:Töpferei

Organische Chemie

Die Organische Chemie (auch kurz: Organik) ist die Lehre vom Aufbau und Verhalten von Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen, welche auch die Bausteine des derzeit bekannten Lebens sind. Sie wurde allgemein anerkannt als Ast der Chemie. Die Abgrenzung von der organischen zur anorganischen Chemie ist nicht genau festgelegt; so werden Kohlenwasserstoffverbindungen mit Heteroatomen wie Phosphor, Schwefel oder Stickstoff der organischen Chemie zugerechnet. Das Gegenstück ist die Anorganische Chemie.

Allgemeines

Die Organische Chemie umfasst praktisch alle 15 Millionen bekannten Verbindungen des Kohlenstoffs und Wasserstoffs. Bestimmte Verbindungen werden sowohl von der Organischen als auch Anorganischen Chemie behandelt: Oxalsäure und deren Salze Oxalate, Blausäure und deren Salze Cyanide. Organische Substanzen sind sehr stark durch das jeweilige Molekül bestimmt (organische Salze wie Acetat werden auch deutlich durch die Molekülform bestimmt). In der Anorganischen Chemie kommen meist nur die allgemeinen Eigenschaften von Festkörpern und/oder Ionen zu Tragen. Die Synthesestrategien unterscheiden sich oft, da organische Molekühle meist Stück für Stück aufgebaut werden.

Geschichte

Bereits im 18. Jahrhundert war eine beträchtliche Zahl von Organischen Substanzen als Reinstoff isoliert worden. Beispiele sind der Harnstoff (1773, Rouelle) und viele Säuren, wie die von Ameisen erhaltene Ameisensäure (1749, Marggraf), die Äpfelsäure aus Äpfeln, und die aus dem Weinstein gewonnene Weinsäure (1769, Scheele). Ursprünglich bezeichnete man mit "Organischer Substanz" tatsächlich nur solche Stoffe, die man aus Pflanzen- oder Tiergewebe o.ä. gewonnen hatte und die nicht in der unbelebten Natur vorkommen. Daher auch der Name der Organischen Chemie. Es gelang zunächst nicht, diese im Labor herzustellen, so dass die Meinung entstand, solche Stoffe könnten nur von Lebewesen (Organismen) hergestellt werden, da zu ihrer Entstehung eine besondere 'Lebenskraft' (vis vitalis) notwendig sei. Die Herstellung von Harnstoff durch Erhitzen von Ammoniumcyanat im Jahr 1828 durch Friedrich Wöhler konnte diese Annahme widerlegen. Mit zunehmendem Geschick der Chemiker - etwa bei der Analyse und Synthese der Zuckerarten durch Fischer - gelang es, eine immer größere Zahl von organischen Substanzen durch Totalsynthese aus anorganischen Grundsubstanzen zu synthetisieren. Zudem wurden dabei aus den Natursubstanzen auch Abkömmlinge (Derivate) hergestellt, die in der Natur nicht vorkommen (wie etwa die Hydrazone und Phenylhydrazone der Kohlenhydrate). Auch völlig unnatürlich wirkende Stoffe, wie Kunststoffe und Erdöl, zählen zu den Organischen Verbindungen, da sie wie die Substanzen von Lebensformen aus Kohlenstoffverbindungen bestehen. Erdöl, der Ausgangsstoff für viele synthetische Produkte, ist letzten Endes auch organischen Ursprungs. Die in Lebewesen ablaufenden Stoffwechselprozesse werden nun in der Biochemie behandelt, die auf der Organischen Chemie beruht.

Bedeutung der Organischen Chemie

Die wichtigsten Moleküle des Lebens, darunter Aminosäuren, Proteine, Kohlehydrate und die DNA, sind organisch, und so ist ein Großteil der Biochemie nichts anderes als organische Chemie. Daraus ergibt sich auch eine große Bedeutung für die Biologie und für die Medizin, etwa bei der Entwicklung und Herstellung von Arzneimitteln, sowie für die Lebensmittelchemie. Technisch wichtige Bereiche der organischen Chemie sind die Petrochemie, die Kunststoffe, viele Klebstoffe, Farben und Lacke.

Stoffgruppen der Organischen Chemie

- Kohlenwasserstoffe bilden die Grundlage der Nomenklatur. ::Alkan - Alken - Alkine
- Alkohol - Aldehyd - Amin - Ether - Ester - Carbonsäure
- Aromaten - Aliphat
- acyclische und cyclische Verbindungen
- Aminosäure, Protein, Kohlenhydrate
- Metallorganische Verbindungen, beispielsweise Ferrocen

Reaktionen

Siehe Reaktionsmechanismus Die Reaktionen in der organischen Chemie lassen sich größtenteils in die folgenden Grundtypen einordnen:
- Radikalische Substitution (S_R)
- Nucleophile Substitution (S_N):
- Aliphatische nucleophile Substitution
- Aromatische nucleophile Substitution
- Elektrophile Substitution (S_E):
- Aliphatische elektrophile Substitution
- Elektrophile aromatische Substitution
- Eliminierung
- Nucleophile Addition
- Elektrophile Addition
- Radikalische Addition
- Perizyklische Reaktionen
- Umlagerung (sofern sie nicht zu den obigen Reaktionstypen gehören)
- Oxidation sowie Reduktion Darüber hinaus sind viele Reaktionen unter dem Namen ihres Entdeckers bekannt (siehe: Namensreaktionen).

weblinks

- [http://timms.uni-tuebingen.de/List/List01.aspx?rpattern=UT_2002_____00%5B12%5D_chemorg_000_ Mittschnitte von Vorlesungen der Universität Tübingen, Experimentalchemie II, Organische Chemie, Sommersemester 2002, 52 Stunden] Kategorie:Teilgebiet der Chemie ! ja:有機化学 ko:유기 화학 ms:Kimia organik simple:Organic chemistry

Glas

Unter Glas (von germanisch glasa „das Glänzende, Schimmernde“, auch für „Bernstein“) versteht man eine Schmelze, die ohne Kristallisation erstarrt ist, also einen amorphen Feststoff. Materialien, die man im Alltagsleben als Glas bezeichnet (zum Beispiel Trink- und Fenstergläser, Fernsehscheiben und Glühlampen) sind nur ein Ausschnitt aus der Vielfalt der Gläser.

Eigenschaften

Glas ist eine ohne wesentliche Kristallbildung erstarrte Schmelze und damit eine amorphe Substanz. Thermodynamisch wird Glas als gefrorene, unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet. Diese Definition gilt für alle Substanzen, die geschmolzen und entsprechend schnell abgekühlt werden. Das bedeutet, dass sich bei der Erstarrung der Schmelze zum Glas zwar Kristallkeime bilden, für den Kristallisationsprozess jedoch nicht genügend Zeit verbleibt. Das erstarrende Glas ist schnell zu fest, um noch eine Kristallbildung zu erlauben. Die Transformationstemperatur, also jener Übergangsbereich zwischen Schmelze und Feststoff, liegt bei vielen Glasarten um 600° C. Trotz des nicht definierten Schmelzpunkts ist Glas ein Festkörper. Auch wenn es sich unter langzeitiger Krafteinwirkung verformte, dürfte man es nicht als flüssig bezeichnen. Die langsame Verformung unter einer konstanten Kraft tritt auch in kristallinen Festkörpern auf und wird als Kriechen bezeichnet. Berichte von fließenden Kirchenfenstern lassen sich nicht bestätigen und die Idee des flüssigen Glases scheint auf eine Falschübersetzung zurückzugehen. [http://tafkac.org/science/glass.flow/origins_of_claim.html (en)] Kriechen] Kriechen] Kohlenwasserstoffverbindungen wie Plexiglas sind kein Glas, sondern ein Kunststoff. Kunststoffe besitzen organische Verbindungen, selbst Silikone sind mit organischen Resten abgesättigt und als mehr oder weniger ausdifferenzierte Ketten strukturiert. Die im allgemeinen Sprachgebrauch bedeutungstragende Eigenschaft von Glas ist die Durchsichtigkeit. Die optischen Eigenschaften sind so vielfältig wie die Anzahl der Gläser. Neben klaren Gläsern, die in einem breiten Band für Licht durchlässig sind, kann man durch Zugabe von speziellen Materialien zur Schmelze die Durchlässigkeit blockieren. Zum Beispiel kann man optisch klare Gläser für Infrarotes Licht undurchdringbar machen, die Wärmestrahlung ist blockiert. Die bekannteste Steuerung der Durchlässigkeit ist die Färbung. Es können die verschiedensten Farben erzielt werden. Andererseits gibt es undurchsichtiges Glas, das schon aufgrund seiner Hauptkomponenten oder der Zugabe von Trübungsmitteln opak ist. Gebrauchsglas hat eine Dichte von ca. 2,5 g/cm³. Die mechanischen Eigenschaften variieren sehr stark. Die Zerbrechlichkeit von Glas ist sprichwörtlich. Die Bruchfestigkeit wird stark von der Abkühlgeschwindigkeit bestimmt. Glas ist weitgehend resistent gegen Chemikalien. Eine Ausnahme ist Flusssäure, sie löst das Siliziumdioxid und wandelt es zu Hexafluorokieselsäure. Im Allgemeinen hat Glas einen hohen elektrischen Widerstand.

Zusammensetzung

Glas kann viele Komponente haben. Diese werden nach ihrer Funktion in Netzwerkbildner, Netzwerkwandler und Zwischenoxyde (auch Stabilisatoren genannt) unterschieden. Netzwerkbildner bilden das (unregelmäßige) Grundgerüst, zu Ihnen zählen zum Beispiel SiO₂, B₂O₃, P₂O₅ sowie als nichtoxydische Verbindungen As₂S₃und BeF₂. Netzwerkwandler werden in das vom Netzwerkbildner gebildete Gerüst eingebaut. Hierzu gehören die Oxide der Alkalien wie Na₂O und K₂O. Zwischenoxyide wie Al₂O₃, MgO, PbO etc. können als Netzwerkbildner und -wandler fungieren. Allerdings sind sie nicht alleine zur Glasbildung fähig.

Einstellung der Glaseigenschaften

weitere Zuschlagstoffe sind u.a.:
- andere Flussmittel zur Verminderung des Schmelzpunkts
- Zinkoxid
- Thallium
- zur Veränderung des Brechungsindex
- Bariumoxid
- Blei (absorbiert auch Strahlung)
- Cer wird für Glas verwendet, das Infrarotstrahlung absorbiert.
- Boroxid verändert als Zusatz die thermischen und elektrischen Eigenschaften.
- Aluminiumoxid erhöht die Bruchfestigkeit
- Trübungsmittel
- Zinndioxid
- Calciumphosphat
- Fluorid für Opalglas
- Zirkonoxid Nachstehend eine Tabelle mit den ungefähren Zusammensetzungen verschiedener Gläser. Die Prozentangaben sind in Gewichtsprozent.

Glasfärbung und Entfärbung

Die meisten Glassorten werden mit weiteren Zusatzstoffen produziert, um bestimmte Eigenschaften, wie ihre Färbung zu beeinflussen. Für die Glasfärbung, beziehungsweise für die Entfärbung von Gläsern, die durch Verunreinigungen ihrer Rohstoffe verursacht sind, werden vor allem Metalloxide verwendet. Grundsätzlich verwendet man zur Beseitigung von Farbstichen die komplementäre Farbe. Entfärbemittel werden Glasmacherseifen genannt. Glasmacherseifen
- Eisenoxide: Färben je nach Wertigkeit des Eisenions grün-blaugrün oder gelb und in Verbindung mit Braunstein gelb sowie braun-schwarz.
- Kupferoxide: zweiwertiges Kupfer färbt blau, einwertiges färbt rot, daraus ergibt sich das so genannte Kupferrubinglas.
- Chromoxid: Wird in Verbindung mit Eisenoxid oder allein für die Grünfärbung verwendet. Chromoxid
- Uranoxid: Ergibt eine sehr feine Gelb- oder Grünfärbung (so genanntes "Annagelb" oder "Annagrün"-Glas) mit grüner Fluoreszenz unter dem UV-Licht. Solche Gläser wurden vor allem in der Zeit des Jugendstils hergestellt. In England und Amerika ist diese Glassorte auch als "uranium glass" oder "vaseline glass" bekannt.
- Kobaltoxid: färbt intensiv blau und wird auch für die Entfärbung verwendet.
- Nickeloxid: violett, rötlich auch für die Graufärbung und zur Entfärbung
- Manganoxid (Braunstein) als Glasmacherseife zur Entfernung des Grünstichs
- Selenoxid: färbt rosa und rot, die rosa Färbung wird als "Rosalin" bezeichnet, während die rote als Selenrubin bezeichnet wird.
- Silber: ergibt feines Silbergelb
- Gold: Wird erst in Königswasser aufgelöst und färbt rubinrot, eine der teuersten Glasfärbungen.

Einteilung der Gläser

Königswasser Nach Art der Genese: Neben künstlichen finden sich auch natürliche Gläser: Obsidian ist vulkanischen Ursprungs, Tektide entstehen durch Meteoriteneinschlag, Fulgurite entstehen bei Blitzeinschlag und Maskelynit, das in Meteroriten gefunden wird und extraterristischen Ursprungs ist. Diese Gläser entstehen aus dem schmelzen von Sanden oder durch Schockwellen. Ein Kristallgitter kann hierduch seine Struktur verlieren und ein amorpher Körper werden. Dies ist diaplektisches Glas. Nach Art des Chemismus: Neben Kalk-Natron-Glas, das dem gewöhnlichen Gebrauchsglas entspricht, gibt es Quarzglas aus reinem SiO₂, Bleiglas für z. B. feinen Kristallgläsern und Fernsehtrichter. Das Blei im Glas schirmt die elektromagnetische Strahlung ab. Wasserglas ist wasserlöslich. Borosilikatglas ist insbesondere chemisch resistent und wird bei Laborgeräten, Kochgeschirr aber auch optischen Gläser verwendet. Borphosphatglas (Bortrioxid, Phosphorpentoxid) und Alumosilikatgläser mit Al₂O₃ sind weitere Spezialgläser. Zu der Gruppe der nichtoxidischen Gläser gehören u. a. Fluoridgläser, z.B. ZrF₄ - BaF₂ - AlF₃ und Chalkogenidgläser mit z.B. AsTe₃ oder GeSe₂ in der Infrarotoptik. Als Sonderfall in dieser Einordnung muß man Glaskeramik begreifen. Es wird als Glas produziert, durch die Wärmenachbehandlung wird teilweise Rekristallisierung erzielt. So ist es strenggenommen kein Glas mehr, sondern ein Glas-Kritall Mischkörper. Glaskeramik besteht aus SiO₂, Al₂O₃ und Lithiumoxid. Nach der Grundform des Produkts und dem Produktionsverfahren: Die Glasindustrie wird gewöhnlich in Hohlglas-, Flachglas-, und Spezialglasherstellung gegliedert. Hohlglas bezeichnet Flaschen und Konservengläser. Diese Massenprodukte werden maschinell geblasen. Höherwertige Produkte werden gepreßt. Hierzu gehören Glasbausteine und Trinkgläser. Für Glühbirnen ist ein besonderes Produktionsverfahren notwendig, ebenso für Rohrglas. Flachglas wird je nach Produktionsverfahren Floatglas oder Walzglas genannt. Das Grundprodukt ist ein Glasscheibe. Endprodukte sind z. B. Automobilglas, Spiegel, Temperglas, Verbundglas. Faserglas umfaßt Glasfaserkabel, Glaswolle und findet auch Anwendung bei glasfaserverstärkter Kunststoffen. Optische Gläser sind Linsen für Mikroskope und Ferngläser. Mundgeblasene Gläser existieren praktisch nur noch im Kunstgewerbe, sowie bei kostspielien Vasen und Weingläser. Nach ihren hergebrachten Handelsnamen: Antikglas, Diatretglas, Flintglas (Bleiglas als optisches Glas), Hyalithglas (opakes Glas, im 19 Jh. benutzt für Tafel- und Pharmaglas), Kronglas (optisches Glas), Kryolithglas (opakes, weißes Fluoridglas) Nach ihren Markennamen als Gattungsbegriff: Ceran (Glaskeramik für z. B. Kochfelder), Jenaer Glas (hitztefestes Borosilikatglas) beide von Schott und Pyrex (Borosilikatglas) von Corning im angelsächsischem Sprachraum ein Synonym zu Jenaer Glas. siehe auch Liste_der_Gläser

Produktionsprozess

Gemenge

Liste_der_Gläser Für die Herstellung von Kalk-Natron-Glas, das ca. 90% der produzierten Glasmenge ausmacht, werden folgende Rohstoffe eingesetzt: Quarzsand als fast reiner SiO₂-Träger zur Netzwerkbildung. Wichtig ist, daß der Sand einen geringen (<0.05%) Anteil an Fe₂O₃ besitzt, da sonst bei Weißglas störende Grünfärbungen auftreten. Quarzsand Soda, Dolomit, Feldspat, Kalk (noch auszuführen) Altglas oder Eigenscherben aus dem Produktionsbruch werden ebenfalls dem Gemenge wiederaufgegeben. Altglas aus dem Glasrecycling allerdings nur in der Behälterglasindustrie, wo ihr Anteil bis über 90% betragen kann. Neben eingespartem Rohstoff macht sich dies im geringeren Energieverbrauch bemerkbar, da Scherben leichter schmelzen als das Gemenge.

Schmelze

Das Gemenge wird einer Glasschmelzwanne aufgegeben. Bei Temperaturen von ca. 1480 °C schmilzt es allmählich und wird durch Bewegungen im Glasbad homogenisiert. Bei kontinuierlich arbeitenden Öfen, die im industriellen Maßstab ausschließlich Verwendung finden, fließt das Glas weiter von der Schmelzwanne (mit Schmelz und Läuterbereich) über den Durchfluss (Hohlglas) bzw. die Einschnürung (Flachglas) in die Arbeitswanne. Bei geringeren Temperaturen beruhigt sich die Schmelze und fließt weiter zum Punkt der Glasentnahme. Bei der Produktion von Hohlglas sind dies die Speiser oder Feeder. Hier werden Tropfen in darunter stehende Glasmaschinen geleitet. Bei Flachglas fließt das Glas über die Lippe in das Floatbad.

Formgebung

Je nach Produkt wird Glas unterschiedlich geformt. Dabei unterscheidet man vor allem Gläser, die gepresst, geblasen, gedüst, gesponnen oder gewalzt werden.
- Hohlglas wird in mehreren Verfahren durch Pressen, Blasen, Saugen und Kombinationen dieser Techniken hergestellt. Hier dominiert die IS-Maschine, die im Blas-Blas-Verfahren arbeitet. Für höherwertige Tafelware kommen Press-Blas-Verfahren zum Einsatz, die Karusellförmig arbeiten.
- Glasfasern werden durch Spinnen im so genannten TEL-Verfahren produziert.
- Flachglas wird im Floatverfahren hergestellt oder gewalzt.
- Rohrglas

Kühlung

IS-Maschine

Veredelung

- durch chemische und physikalische Gasphasenabscheidung können feinste Metallbeschichtungen aufgebracht werden. Die meisten Fenster- und Autogläser werden mit für Infrarotlicht undurchlässigen Beschichtungen versehen. Die Wärmestrahlung wird hierdurch geblockt und Aufheizungen der Innenräume durch Sonneneinstrahlung gemindert, gleichzeitig die Wärmeverluste im Winter reduziert, ohne dabei die Durchsichtigkeit wesentlich zu beeinträchtigen.
- Eine andere Beschichtungstechnik verhindert die Verschmutzung und unterstützt die Selbstreinigung von Fensterglas. Eine äußere, hydrophile Beschichtung mit Titandioxyd verhindert die Tröpfchenbildung des Regenwassers, da es deren Oberflächenspannung herabsetzt. Regenwasser kann gleichmäßig an der Scheibe ablaufen und Schmutzpartikel mitziehen. Zusätzlich kann durch eine UV-Licht absorbierende Beschichtung die Entstehung aktiven Sauerstoffs ermöglicht werden, der organische Verbindungen zersetzt. [http://www.pilkington.com/resources/anwendungstext_msvarena.pdf Herstellerinformation (pdf)]
- Auch sind Verspiegelungen möglich
- Bei optischen Geräten werden reflektionsmindernde Schichten eingesetzt. Glas lässt sich auch schleifen, so dass optische Linsen für Brillen und verschiedene optische Geräte damit hergestellt werden können.
- Durch nachträgliches Sandstrahlen ein Milchglaseffekt zu erzielen, so dass das Glas nur noch durchscheinend aber nicht mehr durchsichtig ist
- Ein Farbauftrag ist im keramischen Siebdruck möglich.
- Durch exaktes Tempern eines auf Lithium-, Aluminium- und Siliciumoxid gefertigten Glases kann gezielt eine Rekristallisation herbeigeführt werden. Der Werkstoff ist nun kein Glas mehr, sondern eine Glaskeramik mit äußerst geringer Wärmedehnung. Diese findet Anwendung z. B. bei Kochfeldern und Spiegelteleskopen.

Geschichte der Glasherstellung

Frühzeit

Glaskeramik, Köln]] Natürlich vorkommendes Glas wie Obsidian wurde seit der Steinzeit zur Werkzeugherstellung (Faustkeil) benutzt. das glass wurde zumindest zweimal erfunden einmal als silizium potasium gemenge wohl in mesapotamien wobei sand den silizium liferte und potasium aus pflanzenasche gewonnen wurde und ein zweites mal als silizium natron gemenge wohl in agypten wobei sand mit natron aus dem nord ägytischen natron see geschmolzen wurde. vor 1550 gab es zumindest in agypten kein glas.(a. kisa köln) Schon ab 1250 v. Chr. unterhielten die Ägypter u. a. in Quantir östlich des Nildeltas regelrechte Glasmanufakturen. Dort wurden Glasrohlinge in einem zweistufigen Prozess hergestellt. Ein Zwischenglas entstand, welches anschließend zertrümmert wurde. Aus den von Verunreinigungen des ersten Produktionsschrittes befreiten Scherben schmolzen die Ägypter Glasrohlinge von zehn Zentimeter Dicke, die durch Beimischung von Metalloxiden unterschiedlich eingefärbt werden konnten. Archäologische Funde deuten darauf hin, dass die einzelnen Produktionsstätten sich auf die Herstellung jeweils unterschiedlich eingefärbte Gläser spezialisiert hatten. So produzierten beispielsweise die Handwerker in Qintar hauptsächlich rotes Glas, welches sie durch Beimengung von Kupfer erhielten. Der Vertrieb der Rohlinge an weiterverarbeitende Glaswarenersteller oder Kunsthandwerker erfolgte über Händler. Laut der britischen Archäologin Caroline Jackson waren Glasgegenstände aufgrund des komplizierten Herstellungsverfahrens ein hohes Statussymbol, welches sich nur die ägyptische Elite leisten konnte. Aus der Bibliothek des assyrischen Königs Assurbanipal ist ein Glasrezept in Keilschrift überliefert, das um 650 v. Chr entstanden ist: 60 Teile Sand, 180 Teile Asche aus Meerespflanzen und 5 Teile Kreide. aus persien kommt im 4 jahrhundert v. Chr. erstmals klares farbloses glas. Die Römer stellten Diatretgläser her, meist glockenförmige, prunkvolle Trinkgefäße die bis heute wegen ihrer künstlerischen Qualität bewundert werden. Eines der berühmtesten römischen Gläser ist der im Besitz des Britischen Museums