Elektrischer Strom

Elektrischer Strom ist in der Elektrotechnik und der Physik die Bezeichnung für eine gerichtete Bewegung von Ladungsträgern in einem Stoff (Chemie) oder im Vakuum. Umgangssprachlich wird elektrischer Strom auch kurz "Strom" genannt, oft ist jedoch damit die Übertragung elektrischer Energie gemeint.

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

Gleichstrom, Wechselstrom und Drehstrom

elektrische Stromarten:

a) Gleichstrom (engl. DC = Direct Current)

b) Wechselstrom (engl. AC = Alternating Current)

c) 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). Beim Gleichstrom muss neben der Stromstärke auch die Stromrichtung beachtet werden.

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 z.B. 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 Gleichstromquelle 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 Stromstärke periodisch stark ab, so spricht man von pulsierendem Gleichsstrom. Gleichrichter liefern meist pulsierenden Gleichstrom, sofern er nicht durch Kondensatoren 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 eine Frequenz von 50 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. Für einen sinusförmigen Wechselstrom ergibt sich die effektive Stromstärke zur Wurzel des mittleren Quadrates der Stromamplitude.

Ist ein Gleichstrom einem Wechselstrom überlagert, so spricht man auch von Mischstrom.

Drehstrom bzw. Dreiphasenwechselstrom

Zur Energieübertragung wird aber heutzutage meist Drehstrom bzw. Dreiphasenwechselstrom verwendet. Beim Drehstrom wird der Strom über drei Leitungen gesendet, die jeweils zueinander um eine drittel Periode phasenverschoben sind, so dass die Summe aller drei Ströme Null ergibt. Zusätzlich ist, je nach Schaltung, noch ein Null-Leiter vorhanden (Sternschaltung), der geringe Restströme aufnimmt, die durch nicht ganz exakte Übereinstimmung der drei Phasen entstehen. Drehstrom hat gegenüber Wechselstrom den Vorteil, dass zu keinem Zeitpunkt der Gesamt-Stromfluss Null ist. Zudem kann man aus Drehstromleitungen Wechselstrom gewinnen, indem man nur eine der drei Adern (Phasen) über den Verbraucher an den Nullleiter anschließt.

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 (chemischer) 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: U = R · I.

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 benzingetriebenen 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 "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.