Gleichstromtechnik (1) – Elektrischer Strom

GELERNT IST GELERNT
Gleichstromtechnik (1) – Elektrischer Strom
GRUNDLAGEN Was ist eigentlich elektrischer Strom? Bei der Beantwortung dieser Frage gerät
selbst der Fachmann häufig ins Stocken. Dieser Beitrag, mit dem wir eine neue Grundlagenserie
über Gleichstromtechnik starten, greift die Frage auf und gibt Antworten.
F
ür eine umfassende Beantwortung der oben gestellten Frage
muss man schon ein bisschen ausholen. Ein großer Nachteil für
die Erklärung ist sicher die Tatsache, dass man den Strom nicht sehen kann. Man sieht gegebenenfalls die Wirkung des elektrischen
Stroms.
enthält. Da aber die Kerne die wesentliche Masse eines Atoms ausmachen, bleiben diese beim Stromfluss durch z. B. einen metallischen Leiter ortsfest. Wenn man allerdings durch den Aggregatzustand des Leitermaterials eine Bewegung der positiven Ladungsträger
möglich macht (flüssig und gasförmig), dann können sich unter Einfluss eines äußeren elektrischen Feldes auch die positiven Ionen (geladene Atome) gerichtet bewegen (Ionenstrom).
Beispiele hierfür sind die beweglichen Ionen im Elektrolyten einer
Batterie. In der Röhre einer Gasentladungslampe bewegen sich negative Elektronen zeitgleich entgegengesetzt zu positiv geladenen Ionen.
Zum umfassenden Wissen um den elektrischen Strom sind auch die
möglichen Wirkungen wichtig: Ein stromdurchflossener Leiter baut
z. B. ein ihn konzentrisch umgebendes Magnetfeld auf und hat damit
eine magnetische Wirkung. Wenn ein Leiter stromdurchflossen ist,
wird er warm – somit zeigt der Strom eine thermische Wirkung. Weitere Wirkungen des elektrischen Stroms sind chemische Wirkungen
z. B. bei der Elektrolyse und Leuchterscheinungen bei stromdurchflossenen Gasen.
Ausgangspunkt: Elektrische Ladung
In der Fachliteratur liest man häufig folgende Definition:
Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung elektrischer Ladung.
Das klingt zunächst sehr einfach, aber eine richtige Erklärung scheint
das nicht zu sein, da zumindest der Laie sich dann die Frage stellt:
»Was sind elektrische Ladungen?«
Dazu wäre folgende Erklärung möglich: Die bewegten Ladungsträger sind sehr häufig die negativ geladenen Elektronen in einem Metall
(metallische Leitermaterialien). Aber auch positive Ladungsträger
können eine gerichtete Bewegung ausführen. Man weiß z. B. vom
Atomaufbau, dass der Kern jedes Atoms positiv geladene Protonen
Physikalische Größe
ortsfeste positive Ladungsträger (Metallionen)
freibewegliche negative Ladungsträger (Elektronen)
Bild 1: Physikalische Stromflussrichtung im metallischen Leiter
Quelle: K.-H. Bleiß
metallischer Leiter
Um den Strom zu quantifizieren, spricht man im Fachjargon zwar oft
vom Strom und meint dabei aber die Stromstärke, die messbar ist und
mit der Einheit »Ampere« benannt wird. Die Größenkennzeichnung
(Formelbuchstabe) ist das »I«. In der Umgangssprache haben sich in
den Bezeichnungen einige Fehler eingeschlichen: So wird oft von
Stromerzeugung gesprochen – z. B. in PV-Anlagen – in Wirklichkeit
wird aber eine elektrische Spannung erzeugt, die einen Stromfluss
möglich macht. Die Liste von Wirkungen des elektrischen Stroms ließe
sich noch erheblich verlängern.
Ein weiteres Beispiel ist der so genannte Stromverbrauch – Strom
wird lediglich zum Transport von elektrischer Energie benutzt und
nicht verbraucht. Genauso unrichtig ist es, von Stromkosten zu reden.
Ein Blick auf die Abrechnung des Energielieferanten verrät, dass sich
die Kosten aus dem Energieumsatz ergeben. Die gelieferte elektrische
Energie »W« wird in der Einheit »kWh« (Kilowattstunden) gemessen.
Quelle: Chris Darling / flickr.com
Technische und physikalische Flussrichtung
Bild 2: »Geladenes Kind« nach einer Rutschpartie
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Das Ausgleichsbestreben der Ladungen (Potentialdifferenz oder elektrische Spannung) ist die Ursache für das Fließen des elektrischen
Stroms (»I«) der in Ampere (»A«) gemessen wird, sofern sich ein
»Transportweg« für die Ladungsträger ergibt (geschlossener Stromkreis). Da es sich bei den Elektronen um Teilchen mit einer negativen
Elementarladung handelt, findet der Ladungsträgertransport (= elektrischer Strom) vom Elektronenüberschuss (Minuspol) zum Elektronenmangel (Pluspol) statt (Bild 1). Dieses nennt man die Physikalische Stromflussrichtung (von »Minus nach Plus«).
de 7.2016
Bild 3: Wolke-Erde-Blitze über einer Stadt
Sehr lange war man davon ausgegangen, dass der Strom vom höheren Niveau (Pluspol) zum niedrigeren (Minuspol) fließen würde,
ähnlich dem fließenden Wasser, das vom höheren Pegel zum niedrigeren Pegel fließt. Man stand nun vor dem Problem, entweder eine
Reihe von bestehenden technischen Regeln zu ändern, oder, trotz
besseren Wissens, bei der »alten« Festlegung zu bleiben. Man legte
fest, dass für technische Betrachtungen die Stromflussrichtung von
»Plus nach Minus« weiterhin gilt, während es parallel die physikalische Stromflussrichtung (Elektronenflussrichtung) gibt, die aber nur
bei der Betrachtung spezieller Vorgänge eine Rolle spielt:
• physikalische Stromflussrichtung (von – nach +)
• technische Stromflussrichtung (von + nach –).
Entdeckung und Wesen der Elektrostatik
Bereits im 6. Jahrhundert v. Chr. soll Thales von Milet entdeckt haben,
dass Bernstein, wenn es in Tüchern gerieben wurde, in der Lage ist,
leichte Gegenstände anzuziehen (Thales gilt als der erste Philosoph
und als erster systematischer Denker der abendländischen Tradition).
Eine schlüssige Erklärung für diese Erscheinung hatte man zwar noch
nicht, aber der Name für dieses Phänomen wurde schon damals festgelegt und hat bis heute Gültigkeit. Bernstein heißt im Griechischen
»Elektron«. Von diesem Begriff haben sich dann die vielfältig verzweigten Anwendungsbezeichnungen der heutigen Elektrizitätslehre
und der modernen Elektrotechnik abgeleitet.
Die Elektrostatik ist das Teilgebiet der Physik, das sich mit ruhenden elektrischen Ladungen, Ladungsverteilungen und den elektrischen Feldern geladener Körper befasst. Die Phänomene der Elektrostatik rühren von den Kräften her, die elektrische Ladungen aufeinander ausüben. Auch wenn die Kräfte klein erscheinen, ist die elektrische Kraft z.B. im Vergleich zur Gravitationskraft außerordentlich
stark. So ist die elektrische Kraft zwischen einem Elektron und einem
Proton um ungefähr den Faktor »40« größer als ihre gegenseitige Anziehung aufgrund der Gravitationskraft.
Gefahren durch elektrostatische Entladungen
Durch Reibung entstandene Ladungstrennungen sind zwar in vielen
Fällen ungefährlich (Bild 2), sie können jedoch dazu führen, dass
elektronische Geräte und Bauteile beschädigt werden. Funkenentladungen können leicht entzündliche Stoffe in der direkten Umgebung
entflammen, wie beispielsweise an Tankstellen oder auch in der Umgebung von Mehlstaub (Kornmühlen). Hier können elektrostatische
Entladungen zu schweren Unfällen führen. An bestimmten Maschinen (Papier- und Folienherstellung) entstehen durch Reibungselektrizität derart hohe Spannungen und Energien, dass Brandgefahr entwww.elektro.net
steht. Auch die Gefahr eines gefährlichen elektrischen Schlages kann
sich dabei für den Menschen ergeben.
In der Natur kommen die Funkenentladungen als Blitz oder als ein
kurzzeitiger Lichtbogen zwischen den Wolken oder zwischen Wolken
und der Erde vor (Bild 3). Wir kennen Blitze während eines Gewitters
infolge einer elektrostatischen Aufladung. Künstlich können im Labor
mit Hochspannungsimpulsen Blitze erzeugt werde. Diese dienen vorwiegend dem Studium oder der Überprüfung von Einrichtungen des
Stromnetzes. Hierbei werden die Effekte von Blitzeinschlägen und die
Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen untersucht. Eine natürliche
Blitzentladung ist wesentlich komplexer als eine reine Funkenentladung. Die physikalischen Gesetzmäßigkeiten dafür, sind bis heute
nicht abschließend erforscht.
Technische Nutzung
Zur technischen Nutzung des elektrischen Stroms kam es dann allerdings erst in der Mitte des 19. Jahrhunderts. Hier waren vor allem die
Entwicklung der Telegrafie und die Galvanik Wegbereiter für weitere
elektrotechnische Entwicklungen. Als man aus der Experimentierphase herauskommen wollte, wurde sehr schnell der Ruf nach größeren
Leistungen laut. Um 1866 entdeckte Werner von Siemens das dynamoelektrische Prinzip. Er nutzte es dann bei der Entwicklung des ersten elektrischen Generators (als rotierende Maschine).Bis dahin
stammte elektrische Energie ausschließlich aus Batterien.
Ab 1880 entwickelten sich die Generatoren immer mehr zu Großmaschinen, um den immer größer werdenden Energiebedarf der
Stromnetze befriedigen zu können. In erster Linie dienten diese Netze
der Versorgung von Beleuchtungen von Straßen und Haushalten.
Man realisierte dies mit Bogen- und Glühlampen. In zentralen Kraftwerken arbeiteten zunächst einfache Wasserturbinen und Dampfmaschinen. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts stehen leistungsfähige
Dampfturbinen zur Verfügung, die bis in die Gegenwart als Kraftmaschinen bei der elektrischen Energieerzeugung Verwendung finden.
Stromstärke als Basisgröße
Gemäß dem SI-Einheitensystem, das
in Deutschland seit 1970 mit Gesetzeskraft gilt, ist die Einheit »Ampere«
eine Basiseinheit. Die meisten Einheiten für elektrische Größen wurden
von den Namen bekannter Physiker
abgeleitet. So auch in diesem Fall:
Der französische Physiker und Mathematiker André-Marie Ampère
(Bild 4) war der Namensgeber. In der
kommenden Folge geht es dann zunächst noch um die exakte Definition
der Einheit des elektrischen Stroms.
(Fortsetzung folgt)
Quelle: nickolae / fotolia.com
Quelle: bluebeat76 / fotolia.com
GELERNT IST GELERNT
Bild 4: Namensgeber der
Einheit des elektrischen
Stroms André-Marie
Ampère (1775-1836)
AUTOR
Karl-Heinz Bleiß
Fachautor Hatten
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