Elektrische Stromrichtung

Grunddefinition und Bedeutung

Die elektrische Stromrichtung gibt an, in welche Richtung elektrischer Strom fließt. In Physik und Technik ist sie genau definiert als die Richtung, in die sich positive elektrische Ladung bewegt. Elektrischer Strom bedeutet allgemein: elektrische Ladung fließt.

Diese Definition ist wichtig, weil sie in Schaltplänen, Rechnungen und technischen Beschreibungen eine einheitliche Richtung festlegt. Sie gilt unabhängig davon, welche Teilchen den Strom tatsächlich tragen. Deshalb kann die elektrische Stromrichtung von der Bewegungsrichtung bestimmter Ladungsträger, zum Beispiel Elektronen, abweichen.

Stromrichtung im Stromkreis

Außerhalb von Strom- oder Spannungsquellen fließt positive Ladung und damit der elektrische Strom vom Pluspol zum Minuspol. Diese Richtung folgt der Feldlinienrichtung des elektrischen Feldes.

Innerhalb von Strom- oder Spannungsquellen fließt positive Ladung dagegen vom Minuspol zum Pluspol. Dadurch wird der Stromkreis geschlossen. Diese Aussage gilt allgemein und folgt aus der Kontinuitätsgleichung, also dem Zusammenhang, dass Ladung in einem geschlossenen Stromkreis nicht einfach verschwinden oder entstehen kann.

In Plänen für elektrische Schaltungen wird die Stromrichtung häufig mit einem Zählpfeil dargestellt. Seine Richtung entspricht üblicherweise der elektrischen Stromrichtung. Wenn sich später ergibt, dass die tatsächliche elektrische Stromrichtung dem Zählpfeil entgegengesetzt ist, erhält die Stromstärke bezogen auf diese Pfeilrichtung einen negativen Wert.

Ladung und Ladungsträger

Oft werden die Begriffe „technische Stromrichtung“ und „physikalische Stromrichtung“ gegenübergestellt. Nach dem Artikel ist diese Gegenüberstellung missverständlich: Die elektrische Stromrichtung ist identisch mit der „technischen“ Stromrichtung und wird in Physik und Elektrotechnik gleich definiert.

Die sogenannte technische Stromrichtung geht historisch von einem Strom positiver Ladungen aus, die sich vom positiven zum negativen Spannungspol bewegen. Als diese Festlegung entstand, war noch nicht bekannt, dass in metallischen Leitern Elektronen die Ladungsträger sind. Elektronen bewegen sich dort vom negativen zum positiven Pol, also entgegengesetzt zur elektrischen Stromrichtung. Nach der Entdeckung der Elektronen wurde die Definition der Stromrichtung trotzdem als einheitliche Konvention beibehalten.

Entscheidend ist der Unterschied zwischen Ladung und Ladungsträger. Die Stromrichtung beschreibt die Richtung des Stroms positiver Ladung. Die Bewegungsrichtung der Ladungsträger beschreibt dagegen, wohin sich die Teilchen bewegen, die Ladung transportieren. Bei Elektronen ist diese Bewegungsrichtung wegen ihrer negativen Ladung der elektrischen Stromrichtung entgegengesetzt.

Mehrdeutigkeit der sogenannten physikalischen Stromrichtung

Der Ausdruck „physikalische Stromrichtung“ bezeichnet nicht die Richtung des Stroms elektrischer Ladung. Gemeint sein kann ein Massenstrom, Volumenstrom, Teilchenstrom oder in der Quantenmechanik ein Aufenthaltswahrscheinlichkeitsstrom von elektrischen Ladungsträgern. Er beschreibt also die Bewegung der Ladungsträger unabhängig davon, ob diese positiv oder negativ geladen sind.

Das ist problematisch, weil es verschiedene Arten von Ladungsträgern gibt. Neben Elektronen können auch positive oder negative Ionen, Defektelektronen oder andere Träger zum Strom beitragen, etwa in Halbleitern, bei der Elektrolyse oder in Gasentladungen. Deshalb kann „physikalische Stromrichtung“ je nach Fall mehrdeutig sein.

Genauer ist es, die Bewegungsrichtung der jeweiligen Ladungsträger direkt zu nennen, zum Beispiel „Elektronenflussrichtung“ oder die Bewegungsrichtung negativer oder positiver Ionen. Das scheinbare Gegeneinander von Technik und Physik entsteht nur, wenn nicht sauber zwischen Ladung und Ladungsträgern unterschieden wird. Die „konventionelle Stromrichtung“ bezeichnet im äußeren Stromkreis die Richtung vom Pluspol zum Minuspol der Quelle und stimmt mit der technischen Stromrichtung überein.

Darstellung senkrecht zur Zeichenebene

Wenn eine Stromrichtung senkrecht zur Zeichenebene dargestellt werden soll, werden besondere Symbole verwendet. Das Symbol ⊙ bedeutet: Die Richtung zeigt aus der Ebene heraus zum Betrachter. Das Symbol ⊗ bedeutet: Die Richtung zeigt vom Betrachter in die Ebene hinein.

Als Merkhilfe kann man sich einen Pfeil vorstellen. Fliegt der Pfeil auf den Beobachter zu, sieht man nur den Punkt der Pfeilspitze, passend zu ⊙. Fliegt der Pfeil vom Beobachter weg, sieht man die Federn am Ende des Pfeils als Kreuz, passend zu ⊗.

Wechselstrom und Zählpfeil

Ein elektrischer Strom, dessen Richtung sich in regelmäßiger Wiederholung ändert, heißt Wechselstrom. Bei Wechselstrom kann ein Zählpfeil für die Stromrichtung sinnvoll sein, wenn man Augenblickswerte betrachtet, also Werte zu einem bestimmten Zeitpunkt.

In Schaltplänen wird der Zählpfeil außerdem so verwendet, dass er die Richtung des mittleren Energieflusses anzeigt. Diese Richtung ist unabhängig davon, dass die elektrische Stromrichtung beim Wechselstrom ständig wechselt. Die Pfeilrichtung kennzeichnet damit das Vorzeichen der über die Leitung geführten Wirkleistung nach der üblichen Vorzeichenregelung.