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Elektrischer Strom
 
     
 
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Allgemeines

Elektrischer Strom ist für viele Leute fast genauso mysteriös wie  Magnete, denn man sieht und hört ihn nicht. Dabei ist das Phänomen Elektrizität relativ leicht erklärbar. Nachfolgend erfahren Sie in einfachen Worten, was Strom ist, wie die Leitung von Strom funktioniert und wie Strom "hergestellt" wird.


Was ist elektrischer Strom?

Wie Ihnen sicherlich bekannt ist, hat Strom mit Elektronen zu tun. Elektronen selbst sind extrem kleine Elementarteilchen, die alle die absolut gleiche negative Ladung besitzen. Von elektrischem Strom redet man dann, wenn Elektronen sich in eine bestimmte Richtung bewegen. Genaugenommen reicht schon ein einzelnes Elektron. Nehmen wir einmal an, im luftleeren Raum bewegen sich einige Elektronen, z.B. wie in Bild 1 auf einer bestimmten Bahn, dann fließt entlang dieser Bahn elektrischer Strom.
Elektronenbewegung / Elektrischer Strom
Bild 1: Elektronenbewegung / Elektrischer Strom

Jetzt werden Sie sich vielleicht wundern: Stromfluß ohne elektrischen Leiter? Ja genau; der elektrische Strom ist nicht notwendigerweise z.B. an eine Kupferleitung gebunden, wie Ihnen in der Natur vorkommende Blitze bestätigen. Und in Fernsehgeräten werden Elektronen im Vakuum in Richtung Mattscheibe regelrecht geschossen.

Es wäre zwar logisch, den Stromfluß so zu definieren, daß er in der Richtung der sich bewegenden Elektronen erfolgt. Aufgrund historischer Irrtümer (man dachte vor langer Zeit, der Stromfluß basiere auf der Bewegung positiv geladener Teilchen) wurde der Stromfluß aber umgekehrt zur Bewegungsrichtung der Elektronen definiert und bis heute beibehalten. Strom fließt daher vom Pluspol einer Spannungsquelle zum Minuspol, während die den Strom verursachenden Elektronen vom Minus- zum Pluspol fließen. Strom ist daher genaugenommen etwas Virtuelles, während die Elektronen echte Teilchen sind.

Fazit: Unter elektrischem Strom versteht man sich in eine bestimmte Richtung bewegende Elektronen bzw. ganz allgemein gesprochen elektrisch geladene Teilchen.


Stromfluß im elektrischen Leiter

Wenngleich ein Stromfluß problemlos auch im Vakuum möglich ist, verwendet man üblicherweise elektrische Leiter, um Strom von einem Ort an einen anderen zu leiten. Sehr gut geeignet hierfür sind Metalle. Der Grund liegt darin, daß im festen Aggregatzustand der Metalle deren Atome eine sogenannte Metallbindung eingehen. Dies bedeutet, daß jedes Atom einige seiner Elektronen sozusagen in einen gemeinsamen Fonds abgibt. Diese Elektronen sind keinem Atom fest zugeordnet, sondern schwirren wie ein Gas zwischen diesen her. Die Atomreste ohne diese Elektronen sind positiv geladen. Man bezeichnet sie daher als Ionen. In Bild 2 sind sie in grüner Farbe dargestellt. Eine wesentliche Eigenschaft der Metalle ist, daß deren Ionen regelmäßig angeordnet sind, d.h. ordentlich in Reih' und Glied. Um diese Ionen herum schwirren die blau dargestellten freien Elektronen herum, die aufgrund ihrer negativen Ladung wie Klebstoff zwischen den positiv geladenen Metallionen wirken, so daß diese sich nicht abstoßen (gleiche Ladungen stoßen sich ja bekanntlich ab).

Freie Elektronen im Metallgitter (Momentaufnahme)
Bild 2: Freie Elektronen im Metallgitter (Momentaufnahme)

Durch diese Eigenschaft sind in Metallen sehr leicht bewegliche Elektronen vorhanden. Wenn man nun einen Draht nimmt und salopp gesprochen an einem Ende Elektronen hineindrückt, verdrängt man damit die dort vorhandenen Elektronen, da sich ja gleiche Ladungen abstoßen. Diese Elektronen verdrängen ihrerseits weiter hinten befindliche Elektronen usw., so daß die vorne hineingedrückten Elektronen sehr schnell dafür sorgen, daß am anderen Ende ein Elektronenüberschuß entsteht. Ein metallischer Draht wirkt also für Elektronen ungefähr so wie ein bereits mit Wasser gefülltes Rohr für Wassermoleküle: Wenn man vorne Wasser hineinfließen läßt, läuft es hinten sofort heraus. In einem Punkt hinkt jedoch der Vergleich: Aus einem Stück Draht laufen die Elektronen nicht heraus, wenn man es irgendwo hinlegt.


Strom und Spannung

Wichtige Kenngrößen des elektrischen Stroms sind Strom (genaugenommern Stromstärke) und Spannung. Die Maßeinheit für die Stromstärke ist Ampere und wird mit "A" abgekürzt, während die Spannung in Volt d.h. "V" angegeben wird. Man kann sich diese Kenngrößen am einfachsten dadurch verdeutlichen, daß man einen Vergleich mit einem Wasserrohr zieht. Die Stromstärke beschreibt die Menge der durchfließenden Elektronen pro Zeiteinheit, im Vergleich also die durchfließende Wassermenge pro Zeiteinheit. Die Spannung beschreibt hingegen, um den Vergleich zu bemühen, unter welchem Druck das Wasser steht. Wie beim Wasser auch, kann eine hohe Spannung vorhanden sein (= hoher Wasserdruck), ohne daß ein Strom fließt (= Hahn zugedreht). Andererseits kann bei einem schon sehr geringen Druck eine sehr hohe Wassermenge pro Zeiteinheit fließen, wie es größere Flüsse demonstrieren. Beim elektrischen Strom ist das nicht anders.


Gleich- und Wechselstrom

Wenn die Elektronen nur in eine Richtung fließen, spricht man von Gleichstrom. In der Praxis dürften Ihnen als Gleichstromquellen Batterien und Akkumulatoren in verschiedenen Ausführungsformen geläufig sein aber auch sogenannte Netzgeräte.

Von Wechselstrom spricht man dann, wenn in einem vorgegebenen Takt die Elektronen für eine bestimmte Zeit in die eine, dann in die andere Richtung fließen. Bekanntestes Beispiel für eine Wechselstromquelle ist die Steckdose, die Teil einer 230-Volt-Installation (früher 220 Volt) ist. Auf den ersten Blick mag es schwachsinnig erscheinen, Strom mal in die eine und kurz darauf in die andere Richtung zu schicken. Dies ist aus technischer Sicht aber erforderlich, weil man nur bei Wechselstrom Spannungen einfach transformieren kann. Überlandleitungen arbeiten z.B. mit 380000 Volt (=380 kV), während Hauptverteilungsstränge in der Stadt mit 10000 oder 20000 Volt (=10 kV bzw. 20 kV) und das Ihnen bekannte "Lichtnetz" mit 230 Volt betrieben werden. Diese Spannungen muß man ineinander umwandeln, was bei Wechselstrom leicht und fast verlustlos mit einem Transformator erfolgen kann, bei Gleichstrom in direkter Form aber überhaupt nicht möglich ist.


Stromkreis

Elektronen kann man nicht einfach aus dem Nichts heraus erzeugen, weshalb der weitverbreitete Begriff Stromquelle im eigentlichen Sinne des Wortes nicht richtig ist. Auch Wasser wird ja nicht erzeugt, sondern z.B. dem Grundwasser entnommen und durch eine Pumpe in das Wasserversorgungsnetz eingespeist. Das z.B. aus einem Hahn ausfließende Wasser fließt auf einem langen Weg ins Meer und dann via Wolkenbildung und Regen wieder zurück ins Grundwasser und damit zur Pumpe. Beim Strom ist es sehr ähnlich: Man kann lediglich die in einem Material vorhandenen Elektronen durch geeignete Maßnahmen (genaueres folgt gleich) dazu bewegen, in eine bestimmte Richtung zu fließen. Im Gegensatz zu Wasser gibt es kein dem Grundwasser entsprechendes Elektronenreservoir, dem man zuerst einmal Elektronen entnehmen kann und das man zu einem späteren Zeitpunkt wieder auffüllt. Beim Strom muß man sofort nachfüllen. Dies erreicht man sehr leicht dadurch, daß man die Elektronen nicht wie das Wasser über verschiedene Umwege zurücklaufen läßt, sondern einen speziell dafür eingerichteten Rückkanal vorsieht, d.h. einen weiteren Draht. Zudem sollte der Strom keine undefinierten Rückwege einschlagen, da hohe Spannungen für Mensch und Tier gefährlich sein können.

Stromkreis
Bild 3: Stromkreis

In Bild 3 sehen Sie links eine Stromquelle, die die Spannung U1 zur Verfügung stellt. Der positive Pol der Stromquelle ist über einen Schalter an einen Verbraucher geführt und von dort zurück an den Minuspol der Stromquelle. Als elektrischen Verbraucher können Sie sich beispielsweise ein Heizelement oder eine Glühlampe vorstellen. In diesem stoßen die Elektronen auf leichten Widerstand beim Hindurchbewegen und geben so Energie ab. Dadurch erhitzt sich das Material. Bei einer Glühlampe wird die Wärmeerzeugung derart auf die Spitze getrieben, daß das Material weißglühend wird und so Licht emittiert.

Ist der Schalter offen, fließt kein Strom I1. Denn die Elektronen stehen zwar sozusagen "unter Druck", können aber die elektrischen Leitungen nicht verlassen. Damit können sie nirgendwohin fließen, wodurch auch kein Strom fließen kann. Der Schalter könnte auch in der unteren Leitung liegen, denn dessen Position ist egal. Wichtig ist nur, daß der Stromkreis an mindestens einer Stelle unterbrochen werden kann. Am Verbraucher liegt bei geöffnetem Schalter mangels Stromquelle die Spannung U2 = 0 V, wodurch auch kein Strom durch den Verbraucher fließen kann, d.h. I2 = 0 A..

Schließt man den Schalter, ändern sich schlagartig die Verhältnisse. Da die Leitungen (wenigstens im Idealfall) keine Spannung "verbrauchen", ist die Spannung U2 am Verbraucher identisch mit U1. Und weil keine Elektronen aus der Leitung auf dem Weg zum Verbraucher verloren gehen (analog zu einer dichten Wasserleitung), ist der Strom I1 auch genauso groß wie I2. Was Sie vielleicht überraschen wird, ist die Tatsache, daß der Strom I3 ebenfalls so groß wie I1 bzw. I2 ist. Dies ist aber bei näherer Betrachtung ganz logisch: Auch elektrische Verbraucher verbrauchen d.h. vernichten selbstverständlich keine Elektronen. Vielmehr wandeln sie nur die Bewegungsenergie der Elektronen um, und zwar z.B. in Wärme bei einem Heizelement bzw. Wärme und Licht bei einer Glühlampe. Dies hat zur Folge, daß hinten bei jedem Verbraucher genausoviele Elektronen herauskommen wie vorne reingesteckt werden. Und gleiche Elektronenmenge pro Zeiteinheit bedeutet gleiche Stromstärke. Damit ist auch die Forderung erfüllt, daß alle Elektronen zurück zur Stromquelle fließen müssen.


Dynamo / Generator

Als Stromlieferanten kennen Sie sicherlich die Generatoren in den Kraftwerken, die eine meist durch Turbinen erzeugte Drehbewegung dazu benutzen, Elektronen in die richtige Richtung abzulenken. Hierbei wird ausgenutzt, daß sich Elektronen im Magnetfeld ablenken d.h. in eine Richtung dirigieren lassen, wenn man einen Stromleiter in ein Magnetfeld hinein- und wieder herausbewegt. Mehr über den Zusammenhang zwischen Strom und Magnetfeldern können Sie in  Magnete nachlesen. Vom Prinzip her funktioniert ein Generator im Kraftwerk wie ein einfacher Farraddynamo. Der grundsätzlicher Aufbau eines Gleichstromgeneratores ist in Bild 4 dargestellt.

Aufbau eines Gleichstromgenerators
Bild 4: Aufbau eines Gleichstromgenerators


Ein Gleichstromgenerator besteht aus einem U-förmigem Permanentmagneten (rot-blau), zwischen dessen Enden im Magnetfeld sich eine Spule befindet, die um die Längsachse drehbar gelagert ist. Auf der Drehachse befindet sich ein Kommutator (orange/grün), der mit 2 feststehenden Schleifern (violett) abgetastet wird. Der Kommutator ist auf der linken Seite zusätzlich in Frontansicht dargestellt. Es handelt sich um eine dicke Metallscheibe, deren beiden Hälften durch einen grün dargestellten Isolator voneinander getrennt sind. Die beiden Spulenenden sind mit je einer Scheibenhälfte verbunden. Der Kommutator dreht sich zwischen den feststehenden Schleifern, an die die Stromleitungen angeschlossen sind, welche an die Anschlußkontakte 1 und 2 geführt sind. An diese wird dann der elektrische Verbraucher wie z.B. eine Glühlampe angeschlossen.

Wenn Sie verstanden haben, was Magnetfelder, Elektronen und Bewegung miteinander zu tun haben (siehe  Magnete), ist die Funktionsweise eines Generators schnell erklärt: Das Innenleben des Generators, d.h. die Spule incl. Kommutator werden zur Stromerzeugung in Drehung versetzt. Die Spule dreht sich in einem konstanten Magnetfeld, welches vom Permanentmagneten erzeugt wird. Durch die Drehung ändert sich das effektiv durch die Spule fließende Magnetfeld, weil sich die wirksame Fläche der Spule ändert wie in Bild 5 dargestellt.
Aufbau eines Dynamos
Bild 5: Wirksame Fläche


Wegen dieser Änderung des effektiven Magnetfelds im Verlaufe einer Drehung werden in der Spule die Elektronen in eine Richtung abgelenkt und damit ein Strom induziert. Dadurch ergibt sich in der Spule ein Strom mit dem in Bild 6 oben dargestellten Verlauf. Nun kommt der Kommutator ins Spiel: Nach einer halben Umdrehung vertauscht er die Spulenanschlüsse zu den Anschlußkontakten 1 und 2. Damit wird alle halbe Umdrehung der Strom umgepolt. Als Ergebnis erhält man daher an den Anschlußkontakten den in Bild 6 unten dargestellten Stromverlauf, d.h. einen pulsierenden Gleichstrom. Läßt man hingegen den Kommutator weg und schließt die beiden Spulenenden an zwei getrennte Schleifringe an, erhält man Wechselstrom. Größere Generatoren mit optimierter Auslegung besitzen einen extrem hohen Wirkungsgrad, der in großen Kraftwerken nur ganz geringfügig unter 100% liegt. Welche Technologie dafür verwendet wird, um den Generator anzutreiben, ist dabei völlig egal. Dies kann über Wind und Wasser genausogut wie über Dampf erfolgen, wobei zur Dampferzeugung wiederum Kohle, Öl, Gas, Atomkraft oder Sonnenenergie verwendet werden.

Stromverlauf
Bild 6: Stromverlauf


Andere bekannte Stromquellen sind beispielsweise Batterien, bei denen auf chemischem Wege ein Stromfluß erzeugt wird und die nach Gebrauch weggeworfen werden müssen, und  Akkumulatoren, die man im Gegensatz zu Batterien wieder aufladen kann. Beide sind daher eher als Stromspeicher zu sehen. Auf den ersten Blick eine echte Stromquelle ist hingegen die Brennstoffzelle, bei der Wasserstoff und Sauerstoff auf "kaltem" Wege zu Wasser reagieren und die frei werdende Energie nicht wie bei der Verbrennung in Wärme umgewandelt sondern als kinetische Energie den Elektronen zugeführt wird, so daß ein Stromfluß entsteht. Freier Wasserstoff kommt in der Natur kaum vor, sondern muß durch elektrische Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff (Elektrolyse) erzeugt werden, so daß die Brennstoffzelle als saubere Lösung zur großwirtschaftlichen Energieerzeugung nicht in Frage kommt, sondern ebenfalls wie Akkus nur zur Energiespeicherung.

Weiterhin bekannt sind Solarzellen (das sind großflächige Fotodioden), bei denen das eintreffende Licht teilweise seine Energie an die Elektronen abgibt, so daß auch hier ein Stromfluß zustande kommt. Leider ist der Wirkungsgrad sehr gering. Aus diesen Gründen werden zur Stromerzeugung fast ausnahmslos Generatoren verwendet.
   

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Letztes Update dieser Seite: 23.08.2014 (Untergeordnete Seiten können aktueller sein)