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Elektrischer Strom Drucken E-Mail
Elektrischer Strom ist die Bezeichnung für eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern, zum Beispiel von Elektronen oder Ionen, in einem Stoff oder im Vakuum. Ruhende Ladungsträger können durch unterschiedliche Kräfte in Bewegung gesetzt werden, meist sind das Coulomb- oder Lorentzkräfte. Einmal in Bewegung, können sich die Ladungsträger auch in feldfreien Räumen weiterbewegen. Ein Beispiel dafür ist die Elektronenbewegung in einer Elektronenröhre.

Umgangssprachlich wird elektrischer Strom auch „Strom“ genannt. Manchmal ist damit die Übertragung oder Bemessung von elektrischer Energie gemeint, was jedoch physikalisch nicht korrekt ist. Auch wird die physikalische Größe der Stromstärke, also die pro Zeit fließende Ladung, umgangssprachlich als Strom bezeichnet.

Das Formelzeichen für die zeitlich konstante elektrische Stromstärke ist I. Die zeitabhängige Stromstärke wird mit i oder auch als i(t) bezeichnet. Gemessen wird die Stromstärke in Ampere, benannt nach dem französischer Physiker und Mathematiker André Marie Ampère. Das Einheitenzeichen ist das A. Das Ampere ist SI-Basiseinheit.

Geschichte

Die technische Nutzung des elektrischen Stromes begann in der Mitte des 19. Jahrhunderts mit der Telegrafie und der Galvanik. Für beide Anwendungen reichten 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. Ausschlaggebend für die heutige Form der elektrischen Energieverteilung waren unter anderem folgende Punkte:

    * Die verlustarme Transformierbarkeit des Wechselstromes auf beliebige Werte von beispielsweise 6 V für Ladegeräte bis 500.000 V für Röntgengeräte.
    * Bei der Leistung eines typischen Großkraftwerkes mit 1000 MW Leistung und einer bei Kleinverbrauchern üblichen Niederspannung von 230 V würde sich eine Stromstärke von etwa 4,5 MA ergeben. Dieser hohe Strom lässt sich unmöglich in einem Verteilernetz handhaben. Mit Netztransformatoren lassen sich diese Leistungen mittels Hochspannung in den sogenannten Verbundnetzen verteilen. Das erzwingt aber Wechselstrom.
    * Die Drehstrommaschine ist robust und benötigt keinen Kommutator, der sich abnutzen kann, funktioniert aber nur mit Wechselstrom.

Nachteile sind die sich ständig ändernde Spannung, was z. B. zur Folge hat, dass alle elektronischen Geräte über Gleichrichter gespeist werden, und die daraus resultierende Leistungsschwankung, die als Blindleistung in Erscheinung tritt und seit der Mitte des vergangenen Jahrhunderts zum Einsatz der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung ( HGÜ ) geführt hat.

Die Speicherung des Gleichstromes in Akkumulatoren versprach zunächst Vorteile und mit den gleichzeitig gebauten Straßenbahnnetzen war ein interessanter Markt für diese Stromart vorhanden. Aus heutiger Sicht wären auch extrem große Akkumulatoren erheblich zu klein, um nennenswerte Ladungen zu speichern. Durch die Entwicklung der Leistungselektronik lassen sich beide Stromarten problemlos ineinander umwandeln, wie moderne Mehrsystemfahrzeuge beweisen.


Messung des elektrischen Stromes

Der elektrische Strom kann direkt mit einem Strommesser gemessen werden. Heutzutage wird die Messung meist mit einem Digitalmultimeter vorgenommen, welches neben einem Strommesser auch noch einen Spannungsmesser zur Messung der elektrischen Spannung und auch die Messung des elektrischen Widerstandes bietet.

Für die Messung von sehr großen Strömen misst man die Spannung über einem Messwiderstand. Bei Wechselströmen von ca. 10 A aufwärts kommen auch Stromwandler zum Einsatz. Zur unterbrechungsfreien Messung zu Prüfzwecken eignen sich Zangenstrommesser.

Stromleitung in Metallen

In Metallen, man spricht auch von Leitern erster Klasse, kommt der Stromfluss dadurch zustande, dass im Atomverbund immer eine bestimmte Anzahl freier Elektronen, die sogenannten freien Leitungselektronen (Valenzelektronen) vorkommen. Die Gesamtheit dieser Leitungselektronen in einem Metall wird auch als Elektronengas bezeichnet – die Elektronen verhalten sich ähnlich wie Gasmoleküle und führen ungeordnete Bewegungen aus, welche stark von der Temperatur des Metalls abhängen.

Die eigentliche Stromleitung im Metall kommt durch eine überlagerte Driftbewegung dieser freien Elektronen zustande. Diese Driftbewegung der Ladungsträger im Metall ist dabei vergleichsweise langsam: Die Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger beträgt beispielsweise bei Kupfer, welches ca. 1023 Leitungselektronen pro cm3 aufweist, und bei einer typischen Stromdichte von 10 A/mm2, nur rund 0,735 mm/s.

Da die Stromleitung in Metallen durch die Elektronen erfolgt und es dabei zu keiner stofflichen Änderung des elektrischen Leiters kommt, spricht man auch von elektronischer Stromleitung.

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 benötigten 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. Dabei gibt die Frequenz an, wie oft sich die Stromrichtung pro Sekunde ändert. 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

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

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 ?-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 direkte 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 (Energie-Erhaltungssatz). 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 Handy-Akkus). Die dabei verrichtete Arbeit (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.

Körperliche Auswirkungen des elektrischen Stromes

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. Man spricht dann auch von einem Stromschlag.

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. Ab ca. 15 % verbrannter Körperoberfläche nimmt die Letalität infolge der Verbrennung stark zu.