Elektrischer Strom - Physikunterricht.at

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 kann sich dadurch einstellen, dass sich frei bewegliche
Ladungsträger in einem elektrischen Feld befinden. Von Strom ist aber auch die Rede, wenn
geladene Teilchen durch einen zunächst feldfreien Raum fliegen. Man denke z. B. an die
bewegten Elektronen in einer Fernsehröhre. Umgangssprachlich wird elektrischer Strom auch
kurz „Strom“ genannt, oft ist jedoch damit die Übertragung elektrischer Energie gemeint.
Auch wird die physikalische Größe der 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 Lichtwirkung, 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.
Formelzeichen Stromstärke: I
Einheit Stromstärke: Ampere (A)
Historischer Rückblick
Die technische Nutzung des elektrischen Stromes begann in der Mittes des 19. Jahrhunderts
mit der Telegrafie und der Galvanik. Für beide Anwendungen reichten zunächst die Leistung
von Batterien aus. Um 1866 erkannte Werner von Siemens das elektrodynamische Prinzip
und nutzte es bei der Entwicklung des ersten Generators, den er als Zündmaschine für die
Zündung von Sprengladungen vermarkten konnte. Ab 1880 entwickelten sich diese
Generatoren immer mehr zu Großmaschinen, um den Strombedarf der immer größer
werdenden Stromnetze befriedigen zu können. In erster Linie dienten diese Netze zur
Bereitstellung von elektrischem Strom für die Beleuchtung mit Bogen- und Glühlampen in
der Öffentlichkeit und den ersten Privathaushalten. Eine weitere Anwendung des elektrischen
Stromes bestand in seinem Einsatz in Leuchttürmen, da die Bogenlampe eine wesentlich
höhere Lichtstärke besitzt als die zuvor verwendeten Kerzen oder Petroleumlampen. Infolge
dessen entstanden die ersten Kraftwerke, die zunächst noch mit einfachen Wasserturbinen und
Dampfmaschinen angetrieben wurden. Ab der Jahrhundertwende standen äußerst
leistungsfähige Dampfturbinen zur Verfügung, die bis in die Gegenwart als Kraftmaschine bei
der Stromerzeugung dominieren.
In den Jahren vor der Jahrhundertwende entschied sich auch die Systemfrage zum Thema
Gleichstrom oder Wechselstrom. Letztlich war die Transformierbarkeit des Wechselstromes
ausschlaggebend für die heutige Form der elektrischen Energieverteilung, obwohl die
unproblematische Speicherung des Gleichstromes in Akkumulatoren zunächst Vorteile
versprach und mit den gleichzeitig gebauten Straßenbahnnetze ein interessanter Markt für
diese Stromart vorhanden war.
Technische Stromarten: Gleichstrom 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 nicht zu verwechseln mit der
Flussrichtung der Elektronen (negative Ladungträger), 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. 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. Die
Frequenz (oft auch als Netzfrequenz bezeichnet) des Stromes gibt an, wie oft pro Sekunde der
Strom in die selbe 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.
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:
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 hinund 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).
Stromstärketabelle
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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 vom 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. 0,05 A = 50 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.
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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 bis 1.000.000 A