Elektrischer Strom

Grundbegriff und Messung

Elektrischer Strom ist der Transport elektrischer Ladungsträger. In Leitern und Halbleitern übernehmen meist Elektronen diese Aufgabe, in Elektrolyten oder Plasmen Ionen. Diese Form heißt Konvektionsstrom. Elektrischer Strom erzeugt nach dem Ampèreschen Gesetz ein Magnetfeld und führt meistens zur Erwärmung des Leiters.

In einem geschlossenen Stromkreis fließt dauerhaft Strom, solange zwischen den Anschlüssen einer Quelle eine leitende Verbindung besteht. Beim Anschluss eines Leiters an eine Spannungsquelle kann auch in einem offenen Stromkreis kurzfristig Strom fließen. Dabei wird der Leiter so lange geladen oder entladen, bis er das von der Spannungsquelle vorgegebene elektrische Potential erreicht.

Auch der Verschiebungsstrom gehört zum elektrischen Strom. Er entsteht nicht durch die Bewegung von Ladungen, sondern durch ein sich zeitlich änderndes elektrisches Feld, etwa zwischen den Platten eines Kondensators beim Be- oder Entladen. Wie der Konvektionsstrom erzeugt er ein Magnetfeld.

Die physikalische Größe zur Beschreibung des elektrischen Stroms ist die elektrische Stromstärke. Ihr Formelzeichen ist I, ihre gesetzliche Einheit das Ampere (A).

Entstehung, Spannung und Widerstand

Elektrischer Strom kann auf unterschiedliche Weise entstehen: durch Redoxreaktionen in Batterien, durch Coulombkräfte in elektrischen Feldern, durch Lorentzkräfte in magnetischen Feldern wie in Generatoren, durch die Mitführung von Ladungsträgern in einer Strömung, durch Diffusion bei Konzentrationsunterschieden sowie durch die Änderung des Verschiebungsflusses beziehungsweise der Feldenergie in Nichtleitern.

Eine elektrische Spannung liegt vor, wenn zwischen zwei Punkten eine Potentialdifferenz besteht, beispielsweise zwischen den Polen einer Batterie. Das dadurch entstehende elektrische Feld übt Kräfte auf bewegliche Ladungsträger aus. Ihre gerichtete Bewegung wird als Drift bezeichnet. Die Driftgeschwindigkeit entsteht im Zusammenspiel mit Streuprozessen. Die Stromdichte ergibt sich aus der Multiplikation von Driftgeschwindigkeit und Raumladungsdichte.

Der elektrische Widerstand R begrenzt die Stromstärke. Er ist definiert als

R = U/I.

Bei einem Stromkreis mit einer Spannungsquelle gilt für die Stromstärke:

I = U₀/(Rᵢ + Rᵥ) = Uₖₗ/Rᵥ.

In vielen Leitermaterialien ist bei konstanter Temperatur die Stromstärke proportional zur Spannung. Dieser Zusammenhang heißt ohmsches Gesetz; der Proportionalitätsfaktor R ist dabei unabhängig von Spannung und Stromstärke. Bei einer idealen Spannungsquelle bestimmen Spannung und Widerstand die Stromstärke. Bei einer idealen Stromquelle legt dagegen die Stromstärke am Widerstand die Spannung fest.

Leitung und Wirkungen

In Metallen sind Leitungselektronen nicht an einzelne Atome gebunden, sondern gehören im Rahmen der metallischen Bindung allen Atomen gemeinsam. Nach dem Drude-Modell hängt die Leitfähigkeit von der Dichte und Beweglichkeit dieser Elektronen ab; genauer beschreibt das Bändermodell die Leitung.

In Ionenleitern wird der Strom durch bewegliche positiv oder negativ geladene Atome oder Moleküle, also Ionen, transportiert. Dazu gehören vor allem ionisierte Gase und leitfähige Flüssigkeiten. Man bezeichnet solche Leiter als Elektrolyte oder Plasma; auch Festkörper können als Festelektrolyte Ionenleiter sein. Bei Gleichstrom verändert sich ein Ionenleiter im Gegensatz zu einem Metall meist stofflich. Dies wird bei der Elektrolyse genutzt. Wechselstrom kann unerwünschten Materialtransport, etwa bei einer Gasentladung, weitgehend verhindern.

Elektrischer Strom zeigt sich durch mehrere Wirkungen: Wärmewirkung, magnetische Wirkung einschließlich Kraftwirkung in Magnetfeldern, chemische beziehungsweise elektrochemische Wirkung und Lichtwirkung. Beispiele sind Stromwärme, Elektromagnetismus, Elektromotor, Elektrochemie, Elektrophysiologie, Leuchtdioden, Leuchtstofflampen und Lichtbögen.

Die Energieübertragung wird durch den Poynting-Vektor S beschrieben. Bei einem stromdurchflossenen Draht zeigt er, dass Energie aus den elektrischen und magnetischen Feldern in den Draht fließt und dort als Wärme abgegeben wird. Daraus ergibt sich die Verlustleistung

P = U · I.

Für den Energietransport sind daher nicht ausschließlich die bewegten Ladungsteilchen verantwortlich.

Technische Stromarten und eingeprägter Strom

Gleichstrom (DC, direct current) ändert seine Richtung und Stärke über die Zeit nicht. Elektronische Haushaltsgeräte wie Radios, Fernseher, Computer und die Steuerungen heutiger Waschmaschinen benötigen Gleichstrom. Weitere Anwendungen sind die Schmelzflusselektrolyse zur Aluminiumgewinnung, Gleichstrommotoren, Zwischenkreise in Stromrichtern, Sendeanlagen und Kraftfahrzeug-Bordnetze. Gleichstrom wird meist durch Gleichrichter aus Wechselstrom gewonnen; direkte Quellen sind beispielsweise galvanische und photovoltaische Zellen.

Bei Wechselstrom (AC, alternating current) ändert sich die Stromrichtung periodisch. Positive und negative Augenblickswerte einer Periode ergänzen sich zu einer mittleren Stromstärke von null. Für den Energietransport ist wichtig, dass sich die Spannung mithilfe von Transformatoren einfach ändern lässt. Öffentliche Stromversorgungsnetze arbeiten mit Wechselspannung, in Europa und vielen weiteren Ländern mit 50 Hz, in anderen Teilen der Welt mit 60 Hz. Dreiphasenwechselstrom dient der Verteilung großer Leistungen und ermöglicht besonders einfach gebaute, robuste Elektromotoren. Weitere Beispiele sind Fahrradlichtmaschinen mit einigen 100 Hz, Audiosignale von 20 bis 20.000 Hz und Signale in Antennenkabeln von MHz bis GHz.

Mischstrom verbindet Wechsel- und Gleichstrom. Ein konstanter Gleichstromanteil wird durch einen Wechselstromanteil periodisch verändert; eine Richtungsänderung ist nicht zwingend erforderlich. Nach Gleichrichtern auftretender Mischstrom wird mit Glättungskondensatoren oder Glättungsdrosseln geglättet. Der verbleibende Wechselanteil heißt Restwelligkeit und ist mit einer Brummspannung verbunden. Beispiele sind analoge Telefone, Tonaderspeisungen und Pulsdauermodulations-Signale.

Ein eingeprägter Strom ist in einem weiten Bereich unabhängig vom Lastwiderstand. Er kann Gleichstrom oder Wechselstrom beliebiger Frequenz und Kurvenform sein. Ein Labornetzteil kann beispielsweise auf 30 V und 1,0 A begrenzt werden. Bei einem Lastwiderstand über 30 Ω wird die Spannungsbegrenzung erreicht; bei weniger als 30 Ω greift die Strombegrenzung. Im ersten Fall bleibt die Spannung eingeprägt, im zweiten der Strom.

Alltag, Stromverbrauch und Gefahren

Elektrischer Strom versorgt im Alltag elektronische, elektrische und elektromechanische Geräte, von Armbanduhren bis zu Fahrstühlen. Kleine Geräte werden typischerweise direkt durch Batterien versorgt, große Anlagen über das Stromnetz eines Elektrizitätswerks.

Der Ausdruck „Stromverbrauch“ ist physikalisch ungenau. Wegen der Ladungserhaltung fließt aus einem Gerät genauso viel Strom heraus, wie hineinfließt, sofern das Gerät nicht insgesamt geladen wird. Gemeint ist normalerweise die elektrische Energie, die ein Bauteil oder Gerät umsetzt, oft bezogen auf eine Zeitspanne, also die elektrische Leistung.

Strom kann Menschen durch die Erregung von Nerven- und Muskelgewebe sowie durch Wärmeentwicklung schädigen. Entscheidend sind die Stromstärke pro Fläche, also die Stromdichte, die Einwirkdauer und der Weg durch den Körper. Die Spannung wird häufig als Gefahrenquelle angegeben, weil sich aus ihr mithilfe des Körperwiderstands die Stromstärke berechnen lässt. Ein Stromweg zwischen Brust und Rücken kann bei geringeren Spannungen gefährlich sein als ein längerer Weg, etwa von der rechten Hand zum Fuß.

Wechselströme im Bereich der Netzfrequenz sind ab 0,5 mA spürbar. Stromstärken über 10 mA, die länger als 2 s einwirken, sind gefährlich; für Kinder können sie möglicherweise bereits tödlich sein. Gleichstrom ist ab 2 mA spürbar und ab 25 mA bei einer Einwirkdauer von mehr als 2 s gefährlich. Die Werte gelten nur für eine Verteilung über den Körperwiderstand. Bei Stromwegen direkt am Herzen oder bei Elektroden unter der Haut können wesentlich kleinere Stromstärken gefährlich sein.

Bei Wechselstrom von 50–60 Hz können unter 0,5 mA beliebig lange unbemerkt bleiben. Unter 10 mA über 2 s treten im Allgemeinen keine pathophysiologischen Wirkungen auf. Unter 200 mA unter 10 ms oder unter 100 mA über 500 ms können starke unwillkürliche Muskelreaktionen auftreten. Über 100 mA bei mehr als 500 ms kann zusätzlich mit einer Wahrscheinlichkeit von über 1 % Herzkammerflimmern auftreten. Hochspannungsunfälle können durch Spannungsüberschläge und Lichtbögen Verbrennungen, toxische Verbrennungsprodukte sowie Herz- und Kreislaufstillstand verursachen. Blitze haben etwa 2 kA bis über 100 kA und dauern meist einige 100 μs; ihre Wirkung reicht von völliger Unversehrtheit bis zu schweren Verbrennungen und Tod.

Geschichte und Strom in der Natur

Thales von Milet soll im 6. Jahrhundert v. Chr. beobachtet haben, dass geriebener Bernstein leichte Körper anzieht. Die technische Nutzung des elektrischen Stroms begann in der Mitte des 19. Jahrhunderts mit Telegrafie und Galvanik. Um 1866 entdeckte Werner von Siemens das dynamoelektrische Prinzip und entwickelte daraus einen elektrischen Generator. Ab 1880 wurden Generatoren zu Großmaschinen weiterentwickelt, um wachsende Stromnetze zunächst vor allem für Bogen- und Glühlampen zu versorgen. Es entstanden Kraftwerke mit Wasser- und Dampfantrieb; seit Beginn des 20. Jahrhunderts wurden leistungsfähige Dampfturbinen eingesetzt. Nach dem Stromkrieg der letzten Jahre des 19. Jahrhunderts setzte sich für Stromnetze das Wechselstromsystem gegenüber Gleichstrom durch.

In der Natur tritt elektrischer Strom unter anderem als Blitz bei Gewittern auf. Nach Magnetstürmen können durch Sonneneruptionen geomagnetisch induzierte Ströme entstehen, in Stromnetzen bis einige 100 A. Zitterrochen und Zitteraale erzeugen zur Verteidigung Ströme von 1 bis 50 A. Lebewesen nutzen elektrische Vorgänge zur Orientierung und Kommunikation. Bioelektrochemische Prozesse umfassen außerdem die Erregungsleitung in Nervenzellen und in einigen pflanzlichen Parenchymzellen sowie die Erzeugung und Verarbeitung von Impulsen in Sinnes- und Muskelzellen. Nervenzellströme liegen dabei im Bereich von pA bis nA.