Elektrischer Strom
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Einordnung: Elektrotechnik
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Elektrischer Strom ist in der Elektrotechnik und der Physik die Bezeichnung für eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern in einem Stoff oder im Vakuum. Ein Strom stellt sich ein, wenn ein Leiter in ein Elektrisches Feld gebracht wird. Umgangssprachlich wird elektrischer Strom auch kurz "Strom" genannt, oft ist jedoch damit die Übertragung elektrischer Energie gemeint. Auch wird Stromstärke umgangssprachlich kurz Strom genannt. Daher kommt es oft zu der eigenartig erscheinenden Wortbildung "Stromspannung", denn man meint umgangssprachlich mit Strom eben auch die elektrische Spannung.
Eine solche gerichtete Bewegung, die die ungeordnete thermische Wimmelbewegung (Brown'sche Molekularbewegung) überlagert, wird durch elektrische Feldkräfte beeinflusst oder hervorgerufen. Solche Feldkräfte gehen stets mit einer elektrischen Spannung einher.
- Formelzeichen Stromstärke: I
- Einheit Stromstärke: A
- Name der Einheit: Ampere
| Inhaltsverzeichnis |
Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom
elektrische 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 sind 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.
- 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. In Flüssigkeiten sind aber beispielsweise auch positiv geladene Ionen vorhanden, die vom Plus-Pol zum Minus-Pol fließen. In diesem Fall stimmen die technische und die physikalische Stromrichtung überein. 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 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 Frequenz von 50 Hz. In USA sind das bei 117 Volt Nennspannung dagegen 60 Hz. Die mittlere Stromstärke des Wechselstroms ist Null. Einem Wechselstrom kann natürlich keine Richtung zugeordnet werden.
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.
<math>I=\frac{\hat I} {\sqrt 2}<math>
Ist ein Gleichstrom einem Wechselstrom überlagert, so spricht man auch von Mischstrom.
Drehstrom bzw. Dreiphasenwechselstrom
Zur Energieübertragung wird aber 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 Null ergibt. Zusätzlich ist, je nach Schaltung, noch ein Neutralleiter vorhanden (Sternschaltung), der geringe Restströme aufnimmt, die durch nicht ganz exakte Übereinstimmung der Ströme in den drei Phasen entstehen.
Ein Drehstromnetz ist eine elegante Möglichkeit der Wechselspannungsübertragung: Im in Deutschland üblichen 400V Drehstromnetz (mit jeweils 400V Wechselspannung zwischen den 3 sogenannten Außenleitern herrscht zwischen jedem der Außenleiter und dem Neutralleiter eine Wechselspannung von 230V. Während man für die Übertragung von 3 unabhängigen Wechselspannungen insgesamt 6 Leiter („Drähte“) bräuchte, kommt man in einem Drehstromnetz mit nur 4 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! Eine andere Möglichkeit ist das Anschließen eines 400V-Wechselstrom-Verbrauchers an zwei Außenleitern, denn die Differenz zweier (phasenverschobener) sinusförmiger Spannungen ist wieder eine sinusförmiger Spannung.
Gleichstrom und Wechselstrom dürfen nicht mit Gleichspannung bzw. Wechselspannung verwechselt werden. Allerdings führt im geschlossenen 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. 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:
- <math>I=\frac{U}{R}<math>
Technische Nutzung des elektrischen Stroms
Elektrischer Strom ist heute eine der wichtigsten Methoden, Energie zu transportieren und bereitzustellen. 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 erzeugt und mittels dem Zusammenspiel von elektrischem Strom und elektrischer Spannung 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 der Betrieb weitergehen kann. 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 sehr kleine Energien 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 verbraucht wird, ist elektrische Energie. Dementsprechend wird der von einem Stromzähler ermittelte "Stromverbrauch" auch in der Energieeinheit Kilowattstunde, und nicht in der Stromeinheit Ampere abgerechnet.
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 ist das eigentliche Telefonnetz heutzutage größtenteils schon 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
- Haushaltsgeräte Kühlen 30 %
- Haushaltsgeräte Kochen, Bügeln, Wäschetrocknen 18 %
- Heizung 17 %
- Klimaanlagen 17 %
- PC,TV,Audio,Telefon 10 %
- Licht 8 %
Quelle VDEW
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.
Siehe auch
Elektrizität, Elektrostatik, Elektrodynamik, Stromerzeugung, Ableitstrom
Physikalische Zusammenhänge:
- Die Stromstärke I (in Ampere) ist:
- <math>I = \frac{U}{R} = \frac{P}{U} = \sqrt{\frac{P}{R}}<math>
Spannung U (in Volt)
Widerstand R (in Ohm)
Elektrische Leistung P (in Watt)
- Elektrische Leistung P = Spannung U · Stromstärke I
- Elektrische Arbeit W = Spannung U · Stromstärke I · Zeit t
- Wikibooks: Der elektrische Strom - Eigenschaften und Wirkungen
Weblinks
- weitere Weblinks
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