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Elektrische Stromstärke
Die elektrische Stromstärke (veraltet auch Stromintensität) ist eine physikalische Größe aus der Elektrizitätslehre, die den elektrischen Strom bemisst.
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Grundidee und Bedeutung
Die elektrische Stromstärke ist eine physikalische Größe der Elektrizitätslehre. Sie gibt an, wie viel elektrische Ladung in einer bestimmten Zeit durch eine geeignet gewählte, orientierte Fläche fließt, beispielsweise durch den Querschnitt eines Leiters oder eines Kondensators. Beim Leiter handelt es sich um einen Konvektionsstrom, beim Kondensator um einen Verschiebungsstrom.
Das Formelzeichen ist I. Für den zeitabhängigen Augenblickswert wird häufig der Kleinbuchstabe i verwendet. Die Stromstärke ist eine Basisgröße des Internationalen Einheitensystems (SI); ihre Einheit ist das Ampere mit dem Einheitenzeichen A.
Beim sinusförmigen Wechselstrom ist der zeitliche Mittelwert der Stromstärke null, unabhängig von seinem Scheitelwert, also dem maximalen Augenblickswert. Zur Beschreibung der Wirkung eines periodischen Stroms verwendet man deshalb den konstanten Effektivwert, der ebenfalls mit I bezeichnet wird. In der elektro-hydraulischen Analogie entspricht die elektrische Stromstärke dem Volumenstrom Q eines Fluids in einer Rohrleitung.
Definition und Stromdichte
Bei einem zeitlich konstanten Ladungsfluss gilt
I = ΔQ/Δt.
Dabei ist ΔQ die Ladungsmenge, die während der Zeitspanne Δt durch die betrachtete orientierte Fläche tritt. Bei einer zeitlich veränderlichen Stromstärke ergibt dieser Quotient nur den Mittelwert innerhalb von Δt. Der Augenblickswert wird durch den Grenzübergang zu einer unendlich kleinen Zeitspanne definiert:
I(t) = lim(Δt→0) ΔQ(t)/Δt = dQ/dt = Q̇.
Die Stromdichte J⃗ beschreibt die Stromstärke je Fläche und berücksichtigt zugleich die räumliche Richtung. Mit dem Flächenelement dA⃗ ergibt sich die gesamte Stromstärke als Flächenintegral:
I = ∫ₐ J⃗ · dA⃗.
Ist die Stromdichte über die Querschnittsfläche gleichmäßig verteilt, wie bei Gleichstrom in einem homogenen Leiter, vereinfacht sich dies zu I = J⃗ · A⃗. Wird die Fläche senkrecht durchflossen, gilt je nach Orientierung der Fläche I = JA oder I = −JA.
Stromrichtung und Vorzeichen
Die elektrische Stromrichtung ist als die Bewegungsrichtung positiver elektrischer Ladung definiert. Bewegen sich negative Ladungsträger wie Elektronen, ist die positive Stromrichtung daher ihrer Bewegungsrichtung entgegengesetzt.
In Schaltbildern kennzeichnen Zählpfeile die gewählte Bezugsrichtung. Diese Pfeilrichtung kann grundsätzlich frei gewählt werden. Da die Stromstärke eine skalare Größe ist, bestimmt der Pfeil bei Gleichstrom lediglich ihr Vorzeichen: Stimmen tatsächliche Stromrichtung und Pfeilrichtung überein, ist die Stromstärke positiv; andernfalls ist sie negativ. Bei Wechselstrom können Pfeile außerdem verwendet werden, um die Richtung des Energieflusses zu kennzeichnen.
Messung
Für eine Strommessung muss der zu messende Strom durch das Messgerät fließen. Das Strommessgerät wird deshalb in Reihe mit dem Verbraucher geschaltet.
Digitale Strommessgeräte sind in ihrem Grundaufbau meist Spannungsmessgeräte. Sie messen den Spannungsabfall an einem eingebauten oder externen Messwiderstand, dem sogenannten Shunt, und bestimmen daraus die Stromstärke.
Analoge Messgeräte und Sensoren nutzen verschiedene Wirkungen des elektrischen Stroms:
• Die chemische Wirkung wurde im heute nicht mehr verwendeten Silbercoulometer genutzt.
• Die thermische Wirkung wurde im ebenfalls nicht mehr verwendeten Hitzdrahtmesswerk genutzt. Sie kommt außerdem bei Thermoumformern und Bimetallfühlern zum Einsatz. Bimetallfühler besitzen meist keine Anzeige, sondern eine Schaltfunktion, etwa in Überstromschutzeinrichtungen oder bei der Temperaturregelung eines Bügeleisens.
• Die magnetische Wirkung wird im Drehspulmesswerk für Gleichstrom und im Dreheisenmesswerk auch zur Messung des Effektivwerts von Wechselstrom verwendet. Weitere Stromsensoren beruhen ebenfalls auf der magnetischen Wirkung.
Typische Größenordnungen
Natürlich auftretende Stromstärken auf der Erde reichen von etwa einem Pikoampere durch einen Natriumkanal bis zu mehr als hundert Kiloampere in Blitzen. Der Ladestrom eines Handy-Akkus liegt in der Größenordnung von 2 A, der Strom pro Pixel in der Größenordnung von 1 µA. Bei einem Mikroampere passieren ungefähr sechs Billionen Elementarladungen pro Sekunde den Leiterquerschnitt.
An Potentialbarrieren für Ladungsträger tritt bei kleinen Stromstärken Schrotrauschen auf. Sehr kleine Ströme lassen sich messen oder gezielt erzeugen, indem einzelne Ladungsträger gezählt werden. Dabei nutzt man aus, dass die elektrische Ladung und damit die Spannung U = Q/C eines Kondensators quantisiert erscheint, wenn eine Zuleitung eine Barriere enthält, durch die Leitungselektronen einzeln tunneln. In einem Leiter ohne Tunnelbarriere ändern sich Q und U dagegen kontinuierlich.
