Was ist elektrischer Strom?

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Früher, wo Yellow-Storm noch Fernsehwerbung machte, sagten wir immer: "Strom ist gelb und kommt aus der Steckdose." Das dem nicht so ist, dürfte wohl hoffentlich jedem klar sein. Doch was ist Strom überhaupt? 

Im Lehrbuch steht geschrieben: "Strom ist die gerichtete Bewegung freier Elektronen in einem elektrischen Leiter." 

 

Der elektrische Leiter

Verschiedene Materialien kann man unterteilen in:

• Leiter
• Halbleiter
• Nichtleiter (Isolatoren)

Unter einem Leiter versteht man ein Material, dessen Atome in der Lage sind ihre Elektronen an benachbarte Atome abzugeben oder von diesen aufzunehmen. Die Anzahl der Elektronen je Atom bleibt dabei stets gleich. Wird eines abgegeben, wird von einem anderen Nachbarn wiederum eines aufgenommen. 

Halbleiter sind Materialien, welche nur unter ganz bestimmten Bedingungen leitend werden, z. B. wenn eine gewisse Schwellspannung überschritten wird, oder sie sind nur in eine Richtung leitend. Silizium, wie es in Halbleiter Bauelementen zum Einsatz kommt, wäre so ein prominentes Beispiel. 

Nichtleiter, oder auch Isolatoren, sind Materialien die unter normalen Bedingungen keinen Strom leiten. Hier könnte man Kunststoff oder Keramik aufzählen. 

Zum Verständnis was elektrischer Strom ist, bleiben wir bei den Leitern. Typischerweise wird hier in Kabeln Kupfer oder Aluminium, seltener aber auch Silber, oder in kleinen Bauelementen auch Gold verwendet. Aber auch Stahl lässt sich als Leiter verwenden. So stellt die Stahlkarosserie eines Autos die Verbindung der elektrischen Verbraucher zum Minuspol der Batterie her. 

 

Die elektrischen Größen

Beim Bemessen von Strom kommen verschiedene Größen zum Einsatz:

• Spannung (Volt) 
• Stromstärke (Ampere) 
• Leistung (Watt) 
• Widerstand (Ohm) 

Zum besseren Verständnis kann man sich Strom auch wie Wasser in einem Wasserkreislauf vorstellen. Zwar hinkt dieser Vergleich ein wenig, da Wasser auch in einem offenen Kreis fließen kann, am Ende einer Leitung fällt es einfach hinaus, Strom hingegen immer einen geschlossenen Stromkreis benötigt. Aber zum besseren Verständnis hilft es manchmal sich das so vorzustellen. 

 

Widerstand (Ohm)

Ziehen wir den Widerstand vor, da dieser zum Verständnis fundamental von Bedeutung ist.

Jeder elektrische Leiter hat einen spezifischen Widerstand, abhängig davon um welches Material es sich handelt und welche Temperatur es hat. Der Widerstand ist das was verhindert das die Elektronen im Material einfach so wild hin- und hersausen. Je höher der Widerstand, desto höher muss die Spannung sein um eine gewisse Anzahl an Elektronen in Bewegung zu setzen. 

Als Einheitszeichen wird der griechische Buchstabe Omega Ω verwendet und als Formelzeichen kommt der Buchstabe "R" für "Resistor" zum Einsatz. 

 

Spannung (Volt)

Unter Spannung versteht man das "Ausgleichsbestreben" zweier unterschiedlicher Ladungen. Analog zum zuvor erwähnten Wasserkreis, könnte man Spannung auch als "Druck" bezeichnen. 

Jedes elektrische System benötigt eine Spannungsquelle. Typischerweise würde hier eine Batterie, oder ein Generator zum Einsatz kommen. Eine Batterie ist ein Speicher, mit einem Überschuss an Elektronen am Minus-Pol und einem Mangel am Plus-Pol. Je nach Zellchemie kann die anliegende Spannung unterschiedlich hoch sein. In einem Generator wiederum werden die Elektronen mittels Magnetfeld, in einem elektrische Leiter, vom Pluspol zum Minuspol hin verschoben. 

Eine Sonderheit stellt die Solarzelle dar. Vereinfacht gesagt bestehen diese aus 3 hauchdünnen Siliziumschichten. Die Oberste hat weniger Elektronen als normal, die Mittlere ist neutral und die unterste hat zu Viele. Dringen nun Photonen bis zur mittleren Schicht durch, "schlagen" sie dort Elektronen aus den Atomhüllen heraus, welche von der oberen Schicht "aufgefangen" werden. Diese nun entstandenen "Lücken" werden von Elektronen aus der untersten Schicht wieder aufgefüllt. Da die Elektronen nun wieder in ihre Ursprungsposition "zurück fließen" wollen, entsteht eine Spannung mit einer negativen Ladung an der Oberseite der Zelle (Minus-Pol) und einer positiven ander Unterseite (Plus-Pol).

Verbindet man nun die beiden Pole der Spannungsquelle mit einem elektrischen Leiter, fließen die Elektronen vom Minuspol zum Pluspol zurück, und das solange bis der Unterschied ausgeglichen ist, oder der Generator aufhört Elektronen "anzuschieben".

Spannung wird in Volt gemessen. Das Einheitszeichen ist der Buchstabe "V" und in Formeln kommt der Buchstabe "U" zum Einsatz. 

 

Stromstärke (Ampere)

Als Stromstarke wird die Anzahl an Elektronen bezeichnet, welche zu einem bestimmten Zeitpunkt, an einer bestimmten Stelle, in einem elektrischen Leiter in Bewegung sind. Diese steht in direktem Zusammenhang zur Spannung (Volt) und zum Widerstand (Ohm) des Leiters. 

Auch hier lässt sich wieder die Analogie zum Wasserkreis verwenden. Mit steigendem Druck (Spannung) nimmt auch die Wassermenge (Stromstärke) zu, welche in Bewegung ist. Gleiches passiert auch, wenn der Widerstand sinkt.

Die Stromstärke wird in Ampere gemessen. Einheitszeichen ist der Buchstabe "A" und in Formeln kommt das Formelzeichen "I" zum Einsatz.

1 Ampere definiert sich auch als die Strommenge, welche in einem elektrischen Leiter mit einem Widerstand von 1 Ohm, bei einer Spannung von 1 Volt fließt. Daraus ergibt sich die Formel:

U = R * I 

Oder umgestellt, um die Stromstärke zu berechnen:

U / R = I

 

Elektrische Leistung (Watt)

Wat is nu Watt?

Unter der elektrischen Leistung versteht man das Maß an Arbeit, welches der fließende Strom fähig ist zu verrichten. Sei es die Abgabe von Wärme, die Leuchtstärke einer Lichtquelle, oder die Kraft eines Elektromotors, all dieses steht in direktem Zusammenhang mit der anliegenden Spannung und der Stromstärke, welche durch den Verbraucher fließt. So ist es nur logisch, das sich aus eben diesen beiden Größen die elektrische Leistung ergibt. 

Als Einheitszeichen für Watt, wird der Buchstabe "W" verwendet und als Formelzeichen steht der Buchstabe "P" für Power.

Die Leistung eines elektrischen Verbrauchers errechnet man, indem man die Spannung mit der Stromstärke multipliziert, also:

P = U * I

Bleibt jetzt eigentlich nur noch zu klären was das für eine Einheit, die auf dem Stromzähler angezeigt wird? (kWh) 

 

Kilowattstunden

In Kilowattstunden wird die Menge an Energie gezählt, welche über einen gewissen Zeitraum hinweg verbraucht oder erzeugt wurde. Eigentlich setzt sich diese Einheit aus 3 Größen zusammen:

Das "k" steht für Kilo, also mathematisch "tausend". "W" ist, wie wir gerade gelernt haben, Watt, also die elektrische Leistung. Und das "h" steht für Stunde. Man könnte die Einheit auch als Formel sehen:

k* W * h

Also Tausend * Watt * Stunde

Demnach ist 1kWh die Menge an Energie, welche verbraucht wurde wenn eine Leistung von 1000 Watt genau eine Stunde lang geflossen ist.

Ich könnte jetzt auch, mit den gerade genannten Formeln weiter ausrechnen, das wenn die Spannung 230V Beträgt, die Leitung eben eine Stunde lang mit rund 4,348A belastet wurde. 

 

Fazit:

Zusammenfassend lässt sich sagen, das die elektrischen Größen, und dessen Verständnis, von fundamentaler Bedeutung sind, wenn man verstehen möchte was elektrischer Strom ist. Die Größen stehen alle in Zusammenhang zueinander und die beiden Formeln:

U = R * I

sowie

P = U * I

sind die wichtigsten Basics in der Elektrotechnik, die zu verstehen zwingend erforderlich sind um hier weiter zu machen.