Elektrischer Strom

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Elektrischer Strom ist häufig die Bezeichnung für die Bewegung von Ladungsträgern, zum Beispiel Elektronen oder Ionen, durch eine ausgewählte Fläche, z.B. einen Drahtquerschnitt. Meistens wird in Schaltplänen von elektrischen Schaltungen der Strom idealisiert in unendlich dünnen Leitungen dargestellt. Mittels des Verschiebungsstroms kann der elektrische Strombegriff verallgemeinert werden: Der elektrische Strom ist die Gesamtheit der elektrischen Erscheinungen, die Ursache eines Magnetfeldes sind. Ströme können in Festkörpern, Flüssigkeiten, Gasen oder im Vakuum vorkommen.

Elektrischer Strom kann unterschiedliche Ursachen haben:

• Redoxreaktionen in Batterien,
• Coulombkräfte in elektrischen Feldern, z. B. in Kondensatoren,
• Lorentzkräfte in magnetischen Feldern, z. B. in Generatoren, oder
• das Mitführen von Ladungsträgern, z. B. bei Influenzmaschinen, für solche Vorgänge wird auch der Begriff Konvektionsstrom verwendet,
• Unterschiede in der Konzentration von Ladungsträgern, z. B. an Grenzschichten von Halbleitern, bewirken auch ohne das Vorhandensein von Feldern den sogenannten Diffusionsstrom.
• Änderung des Verschiebungsflusses (siehe Verschiebungsstrom)

Zu den bedeutendsten Wirkungen des Stromes zählen das den Strom umgebende Magnetfeld, die Erwärmung mäßig guter Stromleiter und Leuchterscheinungen in Gasen.

In der Fachsprache wird mit „Strom“ oft dessen Stärke bezeichnet, also die physikalische Größe Stromstärke mit dem Formelzeichen I und der Einheit Ampere, in der Umgangssprache wird meist die Übertragung von elektrischer Energie oder auch bloß die Möglichkeit dazu in Form einer unter Spannung stehenden Installation gemeint.

Geschichte

Bereits Thales von Milet soll im 6. Jahrhundert v. Chr. entdeckt haben, dass Bernstein leichte Körper anzieht, wenn er vorher mit Tüchern gerieben wird. Eine Erklärung dafür konnte er zwar nicht finden, das Wort Elektrizität (vom griechischen „elektron“ für „Bernstein“) weist aber immer noch auf diese antike Entdeckung zurück.

Die technische Nutzung des elektrischen Stromes begann in der Mitte des 19. Jahrhunderts mit der Telegrafie und der Galvanik. Für beide Anwendungen reichte zunächst die Leistung von Batterien aus. Um 1866 fand Werner von Siemens das dynamoelektrische Prinzip und nutzte es bei der Entwicklung des ersten elektrischen Generators, den er als Zündmaschine für die Zündung von Sprengladungen vermarkten konnte. Ab 1880 entwickelten sich diese Generatoren immer mehr zu Großmaschinen, um den Strombedarf der immer größer werdenden Stromnetze befriedigen zu können. In erster Linie dienten diese Netze zur Bereitstellung von elektrischem Strom für die Beleuchtung mit Bogen- und Glühlampen in der Öffentlichkeit und den ersten Privathaushalten. Eine weitere Anwendung des elektrischen Stromes bestand in seinem Einsatz in Leuchttürmen, da die Bogenlampe eine wesentlich höhere Lichtstärke besitzt als die zuvor verwendeten Kerzen oder Petroleumlampen. Infolgedessen entstanden die ersten Kraftwerke, die zunächst noch mit einfachen Wasserturbinen und Dampfmaschinen angetrieben wurden. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts stehen leistungsfähige Dampfturbinen zur Verfügung, die bis in die Gegenwart als Kraftmaschinen bei der Stromerzeugung dominieren.

In den letzten Jahren des 19. Jahrhunderts fiel nach dem sogenannten Stromkrieg die Entscheidung zwischen Gleichstrom- und Wechselstromsystem zugunsten des Wechselstroms.

Physikalische Zusammenhänge

Der elektrische Strom (bzw. genauer die elektrische Stromstärke) kann in der Physik formal ausgehend von der elektrischen Ladung durch folgende Gleichung definiert werden:

$ I={\mathrm {d} Q \over \mathrm {d} t} $

Der Strom $ I $ zu einem bestimmten Zeitpunkt gibt die pro infinitesimalen Zeitabschnitt $ \mathrm {d} t $ fließende infinitesimale Ladung $ \mathrm {d} Q $ an. Ist der Strom konstant, so kann man auch schreiben:

$ I={Q \over t} $

Gleichwertig dazu kann der elektrische Strom auch über die Stromdichte $ J $ in einem Strömungsfeld mittels folgender vektoriellen Integralgleichung definiert werden:

$ I=\int _{A}{\vec {J}}\;\cdot \mathrm {d} {\vec {A}} $

Die Stromstärke $ I $ ist somit gleich dem Flächenintegral der Stromdichte $ J $ in einem elektrischen Leiter. Diese Definition ist dann sinnvoll anzuwenden, wenn man von der Beschreibung eines Vektorfeldes ausgeht und nicht von der Ladung $ Q $.

Durch diese Festlegungen wird nur der sogenannte Leiterstrom beschrieben – das ist jener elektrische Strom, der in einem elektrischen Leiter durch den Fluss von elektrischen Ladungsträgern getragen wird. Darüber hinaus gibt es noch den elektrischen Verschiebungsstrom, der durch die zeitliche Änderungsrate des elektrischen Flusses dominant in einem Isolator bzw. im Vakuum vorhanden ist und beispielsweise den Strom durch einen Kondensator darstellt. Erst diese beiden Stromkomponenten ergeben zusammen den wahren elektrischen Strom (engl. true current oder total current), der in der Elektrodynamik eine wesentliche Rolle spielt. Dieser Artikel handelt nur vom Leitungsstrom, weil innerhalb von elektrischen Leitern der Verschiebungsstrom bis zu sehr hohen Frequenzen im Röntgenbereich vernachlässigt werden kann.

Beispiel

Hier nun ein Beispiel zur Verwendung der ersten Definition:

Da in metallischen Leitern die Ladungsträger des elektrischen Stroms, die Elektronen, alle exakt dieselbe Elementarladung e transportieren, kann man aus I auch die Anzahl n der fließenden Elektronen abschätzen. Fließen n Elektronen, so transportieren sie die Ladung

$ Q=n\cdot e $

Fließt durch die Querschnittsfläche eines Leiters ein konstanter Strom von 1 Ampere, so strömen pro Sekunde

$ I={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} t}}={\frac {Q}{t}}={\frac {n\cdot e}{t}}\Rightarrow n={\frac {I\cdot t}{e}}\approx {\frac {1\ \mathrm {A} \cdot 1\ \mathrm {s} }{1{,}602\cdot 10^{-19}\ \mathrm {C} }}\approx 6{,}242\cdot 10^{18} $

also etwa 6 Trillionen Elektronen durch diese Fläche.

Entstehung des Stromflusses

Am Beispiel einer elektrischen Batterie lässt sich das Prinzip des Stromflusses veranschaulichen. Elektrochemische Prozesse (Redoxreaktion) in der Batterie bewirken eine Ladungstrennung; die Elektronen werden auf einer Seite gesammelt (Elektronenüberschuss: Minuspol), auf der anderen Seite abgezogen (Elektronenmangel: Pluspol). Zwischen beiden entsteht eine Potentialdifferenz, eine elektrische Spannung. Dieses Spannungsgefälle übt mechanische Kräfte auf die Ladungsträger aus. Diesen besonderen Zustand, in dem mechanische Kräfte auf Ladungsträger ausgeübt werden, bezeichnet man als elektrisches Feld, und dieses existiert immer dann, wenn zwischen beliebigen Raumpunkten elektrische Spannungen bestehen.

Ladungsträger, die diesem elektrischen Feld ausgesetzt sind, erfahren dadurch eine Beschleunigung. Im Wechselspiel mit Streuprozessen entsteht eine Driftgeschwindigkeit, und multipliziert mit der Ladungsträgerdichte eine Stromdichte.

Stromkreis mit Spannungsquelle:
Strom I = U₀ / (R_i + R_V) = U_kl / R_V

In vielen Leitermaterialien ist dieser Driftstrom bei konstanter Temperatur proportional zur Spannung. Zur Beschreibung der Abhängigkeit dient die materialabhängige Stoffkonstante der elektrischen Leitfähigkeit. Diese Erfahrungstatsache findet dann etwas vereinfacht als ohmsches Gesetz Anwendung:

$ I={\frac {U}{R}} $

In einem Stromkreis mit einer Spannungsquelle bestimmt somit die aufgebaute elektrische Spannung, abgekürzt U, und die Größe des elektrischen Widerstandes R erst die konkrete Stromstärke I. Hingegen wird bei Verwendung einer Stromquelle die elektrische Spannung U am Widerstand R festgelegt. In der Praxis kommen allerdings Spannungsquellen viel häufiger als Stromquellen vor, wie beispielsweise in Stromversorgungen, weshalb sich der konkrete Wert des elektrischen Stromes nach dem elektrischen Widerstand (auch Verbraucher genannt) richtet.

Messung des elektrischen Stromes

Bei der Messung wird die Messgröße in eine Anzeige ihres Vielfachen der Einheit Ampere umgeformt. Für Labor-, Service- und Feldeinsatz gibt es umschaltbare Vielfachmessgeräte mit mehreren Messbereichen, genannt Multimeter. Für industrielle Anwendungen gibt es anzeigelose Messeinrichtungen.

Stromleitung in Metallen

In Metallen sind ein Teil der Elektronen, die sogenannten Leitungselektronen, nicht jeweils an ein bestimmtes Atom gebunden, sondern ‘gehören’ allen Atomen gemeinsam, siehe metallische Bindung. Nach dem Drude-Modell ist die Leitfähigkeit von Metallen proportional zur Zahl der Leitungselektronen und ihrer Beweglichkeit. Realistischer ist das Bändermodell.

Ionenleiter

Bei Ionenleitern, man spricht von Leitern zweiter Klasse, kommt es im Gegensatz zu Metallen im Regelfall zu einer stofflichen Veränderung des elektrischen Leiters, ein Effekt, der bei der Elektrolyse ausgenutzt wird. Der Stromtransport ist dabei an einen stofflichen Transport von beweglichen, elektrisch geladenen Atomen (Ionen) gebunden. Da die geladenen Atome zum Stromtransport beweglich sein müssen, kommen als Ionenleiter vor allem ionisierte Gase und elektrisch leitfähige Flüssigkeiten in Frage. Man nennt diese Ionenleiter Elektrolyte. Festkörper können in speziellen Fällen auch Ionenleiter sein.

Die chemischen Vorgänge im Elektrolyten verändern dabei die Beschaffenheit des Leiters und es kommt zu einer allmählichen Erschöpfung der elektrischen Leitfähigkeit. Es liegt daher keine elektronische Stromleitung vor.

Technische Stromarten

Gleichstrom

Als Gleichstrom (engl. direct current, abgekürzt DC) wird jener elektrische Strom bezeichnet, der über die Zeit seine Richtung und Stärke nicht ändert, also zeitlich konstant ist.

Praktisch alle elektronischen Geräte im Haushalt wie Radio- und Fernsehempfänger, Computer oder auch die Steuerungen heutiger Waschmaschinen benötigen für ihre Stromversorgung Gleichstrom. Aber auch in der Energietechnik werden Gleichströme eingesetzt, beispielsweise in der Schmelzflusselektrolyse zur Aluminiumgewinnung, für gut drehzahlregelbare Gleichstrommotoren (inzwischen zunehmend durch Stromrichter und Asynchronmotoren ersetzt), als Zwischenkreis in Stromrichtern, in Sendeanlagen und in Kraftfahrzeug-Bordnetzen.

Gleichstrom kann durch Gleichrichtung aus Wechselstrom gewonnen werden. Gleichrichter werden daher überall dort eingesetzt, wo Gleichstrom aus dem mit Wechselstrom betriebenen öffentlichen Stromnetz gewonnen werden soll. Weiterhin gibt es auch direkte Gleichstromquellen, wie z. B. galvanische Zellen und photovoltaische Zellen. Darüber hinaus gibt es auch elektrische Maschinen, die direkt ohne Gleichrichter mittels der Unipolarinduktion Gleichstrom herstellen können. Ihre technische Bedeutung ist heute jedoch gering.

Wechselstrom

Bei Wechselstrom (engl. alternating current, abgekürzt AC) kommt es zu einer laufenden, meist periodischen Änderung der Stromrichtung mit konstanter Frequenz. Jede Periode besteht aus einer positiven und einer negativen Zeitspanne. Der technische Vorteil von Wechselstrom ist seine leichte Umwandelbarkeit zwischen verschiedenen Spannungen mit Hilfe eines Transformators. Daher findet Wechselstrom vor allem in öffentlichen Stromversorgungsnetzen Anwendung. In Europa und vielen anderen Ländern der Welt beträgt die Netzfrequenz der Stromversorgung 50 Hz. In Nordamerika und Teilen von Japan kommen dagegen Netzfrequenzen von 60 Hz zum Einsatz.

Eine besondere Form von Wechselstrom ist der Dreiphasenwechselstrom (umgangssprachlich Stark-, Dreh- oder Kraftstrom), wie er in öffentlichen Stromnetzen zur elektrischen Energieverteilung großer Leistungen Verwendung findet. Diese Stromart ermöglicht besonders einfach gebaute und robuste Elektromotoren.

Mischstrom

oben: Gleichstrom gemäß Definition, teilweise als „reiner Gleichstrom“ verdeutlicht;
darunter: Mischstrom aus Gleichrichtung, teilweise als "pulsierender Gleichstrom" bezeichnet

Eine Kombination aus Wechselstrom und Gleichstrom wird Mischstrom genannt. Dabei kommt es nicht unbedingt zu einer Richtungsänderung des Mischstromes, sondern der zeitlich konstante Gleichstromanteil wird durch den zusätzlich aufgebrachten Wechselstrom in seiner Stärke periodisch geändert (pulsierender Gleichstrom). Dieser Mischstrom tritt beispielsweise bei Gleichrichtern auf und wird mit Glättungskondensatoren oder Glättungsdrosseln in Netzteilen geglättet. Der dabei übrigbleibende (meist unerwünschte) Wechselanteil wird als Restwelligkeit bezeichnet, die mit einer Brummspannung verkoppelt ist.

Eingeprägter Strom

Sogenannte Labornetzteile verfügen sowohl über eine einstellbare Ausgangsspannung als auch über eine einstellbare Strombegrenzung und weisen so eine Rechteckkennlinie auf:

• Wird der Maximalstrom nicht erreicht, hat das Gerät einen geringen Ausgangswiderstand. Das heißt, die Spannung ist fast unabhängig von der Belastung. Man spricht von eingeprägter Spannung.
• Erreicht der Ausgangsstrom den eingestellten Maximalwert, wechselt das Gerät zu konstantem Ausgangsstrom, der auch bei Kurzschluss nicht überschritten wird. Es hat dann sehr großen Ausgangswiderstand und man spricht von eingeprägtem Strom.

Bei Gleichstrom sind Konstantstromquelle und Stromspiegel geeignete Schaltungen, bei Wechselstrom verwendet man die Reihenschaltung großer Blindwiderstände wie Kondensatoren oder Drosseln, um einen eingeprägten Strom herzustellen. Für geringe Ansprüche an die Gleichförmigkeit des Stromes genügt ein ausreichend großer Reihenwiderstand. Berechnungsbeispiele für Gleich- und Wechselstrom findet man im Artikel Vorwiderstand.

Ein eingeprägter Strom muss nicht, er kann konstant sein. Es kann sich auch um Wechselstrom beliebiger Frequenz und Kurvenform handeln. Einziges Kriterium für eingeprägten Strom ist, dass sein Wert in weiten Grenzen unabhängig ist vom Belastungswiderstand. Schließt man zum Beispiel die Reihenschaltung aus einem 0,1-µF-Kondensator und einem 1000-Ω-Widerstand an die Netzspannung, fließt ein Wechselstrom von 7,2 mA. Wenn man den Widerstand verdoppelt oder kurzschließt, ändert sich der Strom nicht, er wird deshalb als eingeprägt bezeichnet.

Technische Nutzung des elektrischen Stroms

Elektrischer Strom ist eines der Verfahren 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 Kraftwerken aus anderen Energiequellen umgewandelt (z. B. erneuerbare Energien) und über das Stromnetz an die Haushalte verteilt bzw. als Bahnstrom genutzt. 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 Speicherung der elektrischen Energie im großen Maßstab ist derzeit nur durch Wandlung in eine andere Energieform möglich, z. B. mittels Akkumulatoren oder in noch größerem Maßstab z. B. bei Pumpspeicherkraftwerken. Für eher kleinere Energiemengen werden Kondensatoren und Spulen verwendet.

Der umgangssprachliche Ausdruck „Strom verbrauchen“ ist technisch gesehen nicht richtig, da der Strom, der in ein Gerät hineinfließt, auch wieder herausfließt (Ladungserhaltungssatz). 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), Wärme (Haartrockner) und chemische Energie (z. B. beim Aufladen von Akkus). Die dabei verrichtete Arbeit (bei ohmschen Beziehern 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. Das 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.

Stromstärketabelle

• Eingang-BIAS-Strom eines FET-Operationsverstärkers: ca. 0,000.000.001 A = 1 nA
• Strom einer Quarz-Armbanduhr (einschl. Selbstentladung der Batterie) ca. 0,000.001 A = 1 µA
• Reststrom bei einem Kleinleistungs-Si-Transistor: ca. 0,000.02 A = 20 µA
• Strom bei einer low current LED: ca. 0,002 A = 2 mA
• Strom bei einer normalen Anzeige-LED: ca. 0,02 A = 20 mA
• Strom bei einer Taschenlampe: ca. 0,2 A = 200 mA
• Strom einer Zimmerbeleuchtung: ca. 0,2 A bis 1 A (200 mA bis 1000 mA)
• Strom in einem Heizlüfter: ca. 6 A bis 10 A
• Strom für Galvanikbäder: ab ca. 50 A bis über 10.000 A
• Strom zum Betrieb einer Elektrolokomotive: über 300 A
• Strom zum Betrieb dieselelektrischer Schiffsantriebe: bis zu 10.000 A
• Strom in einem Blitz: ca. 100.000 A bis 1.000.000 A

Auswirkungen des elektrischen Stroms auf den Menschen

Elektrische Wechselströme im Bereich der Netzfrequenz sind ab 0,5 mA für den menschlichen Organismus spürbar und bei höheren Stromstärken über 10 mA, welche länger als 2 s einwirken, gefährlich. Gleichströme sind ab 2 mA spürbar und ab 25 mA, welche länger als 2 s einwirken, gefährlich.^[1] Man spricht dann auch von einem Stromschlag.

Die folgende Tabelle gibt die Gefährlichkeit von Wechselstrom von 50–60 Hz nach IEC 60479-1 wieder:

Durch den elektrischen Strom kommt es dabei zu einer störenden Beeinflussung der auch durch elektrische Signale an bestimmten Nervenenden (Synapsen) übertragenen Steuerimpulse. Für längere Durchströmungsdauern von 10 s und Ströme über 1 A sinkt die Wahrscheinlichkeit von Herzkammerflimmern, da der Herzmuskel infolge Atemstillstand nicht mehr ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden kann.

Bei elektrischen Energieversorgungsnetzen und im Bereich von höheren Spannungen kommen auch Stromunfälle infolge der Lichtbogenwirkung vor. Der Stromunfall mit Lichtbogeneinwirkung ist fast ausnahmslos mit Verbrennungen verbunden und es entstehen in der Brandwunde meist toxische Verbrennungsprodukte. So kommt es bei Stromunfällen in Hochspannungsanlagen und im Bereich der elektrischen Oberleitungen bei der Bahn, und selten auch bei direkten Blitzschlägen, zu Verbrennungen am menschlichen Körper bei dem Stromeintritts- und Stromaustrittspunkt. Diese Punkte nennt man Strommarke. Ab ca. 15 % verbrannter Körperoberfläche nimmt die Letalität infolge der Verbrennung stark zu.^[2]

Siehe auch

• Elektrizität
• Elektrotechnik
• Nikola Tesla
• Stromerzeugung
• Thomas Alva Edison

Literatur

• Karl Küpfmüller, Gerhard Kohn: Theoretische Elektrotechnik und Elektronik. 14 Auflage. Springer, 1993, ISBN 3-540-56500-0.

• Heinrich Frohne, Karl-Heinz Löcherer, Hans Müller, Thomas Marienhausen, Dieter Schwarzenau: Moeller Grundlagen der Elektrotechnik (Studium). 22. Auflage. Vieweg + Teubner Verlag, Springer Fachmedien, Berlin - Offenbach 2011, ISBN 978-3-8348-0898-1.

Weblinks

Wikibooks: Der elektrische Strom - Eigenschaften und Wirkungen: Teil I – Lern- und Lehrmaterialien

Wikiquote: Elektrischer Strom – Zitate

• Berechnung: Elektrischer Strom
• Versuche und Aufgaben zur Stromstärke (LEIFI)
• Elektrischer Strom – CC-Info
• Wassermodell des elektrischen Stromes - Eine anschauliche Darstellung

Einzelnachweise