Elektrischer Strom

Geschichte

Die technische Nutzung des elektrischen Stromes begann in der Mitte des 19. Jahrhunderts mit der Telegrafie und der Galvanik. Für beide Anwendungen reichten zunächst die Leistung von Batterien aus. Um 1866 fand Werner von Siemens das dynamoelektrische Prinzip und nutzte es bei der Entwicklung des ersten elektrischen Generators, den er als Zündmaschine für die Zündung von Sprengladungen vermarkten konnte. Ab 1880 entwickelten sich diese Generatoren immer mehr zu Großmaschinen, um den Strombedarf der immer größer werdenden Stromnetze befriedigen zu können. In erster Linie dienten diese Netze zur Bereitstellung von elektrischem Strom für die Beleuchtung mit Bogen- und Glühlampen in der Öffentlichkeit und den ersten Privathaushalten. Eine weitere Anwendung des elektrischen Stromes bestand in seinem Einsatz in Leuchttürmen, da die Bogenlampe eine wesentlich höhere Lichtstärkeee besitzt als die zuvor verwendeten Kerzen oder Petroleumlampen. Infolgedessen entstanden die ersten Kraftwerk, die zunächst noch mit einfachen Wasserturbinen und Dampfmaschinenn angetrieben wurden. Seit Beginn des 20. Jahrhunderts stehen leistungsfähige Dampfturbine zur Verfügung, die bis in die Gegenwart als Kraftmaschinen bei der Stromerzeugung dominieren.

In den letzten Jahren des 19. Jahrhunderts fiel auch die Entscheidung zwischen Gleichstrom- und Wechselstromsystem zugunsten des Wechselstroms. Letztlich war die Transformierbarkeit des Wechselstromes ausschlaggebend für die heutige Form der elektrischen Energieverteilung, obwohl die unproblematische Speicherung des Gleichstromes in Akkumulatoren zunächst Vorteile versprach und mit den gleichzeitig gebauten Straßenbahnnetzen ein interessanter Markt für diese Stromart vorhanden war. Aufgrund der Nachteile von Wechselstrom wird vereinzelt mit der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung wieder Gleichstrom verwendet.

Physikalische Zusammenhänge

Der elektrische Strom (bzw. genauer die elektrische Stromstärke) kann in der Physik formal ausgehend von der elektrischen Ladung durch folgende Differentialgleichung definiert werden:

I = {\mathrm{d}Q \over \mathrm{d}t}

Der Strom

I

zu einem bestimmten Zeitpunkt gibt die pro infinitesimalen Zeitabschnitt

\mathrm dt

fließende infinitesimale Ladung

\mathrm dQ

an. Ist der Strom konstant, so kann man auch schreiben:

I = {Q \over t}

Gleichwertig dazu kann der elektrische Strom auch über die Stromdichte

J

in einem Strömungsfeld mittels folgender vektoriellen Intergralgleichung definiert werden:

I = \int_{A} \vec{J} \; \cdot \mathrm{d}\vec{A}

Die Stromstärke

I

ist somit gleich dem Flächenintegral der Stromdichte

J

in einem elektrischen Leiter. Diese Definition ist dann sinnvoll anzuwenden, wenn man von der Beschreibung eines Vektorfeldes ausgeht und nicht von der Ladung

Q

Durch diese Festlegungen wird nur der sogenannte Leiterstrom beschrieben – dies ist jener elektrische Strom, welcher in einem elektrischen Leiter durch den Fluss von elektrischen Ladungsträgern getragen wird. Darüber hinaus gibt es noch den elektrischen Verschiebungsstrom welcher durch die zeitliche Änderungsrate des elektrischen Flusses dominant in einem Isolator bzw. im Vakuum vorhanden ist und beispielsweise den Strom durch einen Kondensator darstellt. Erst diese beiden Stromkomponenten, der Leitungsstrom und der Verschiebungsstrom, ergeben zusammen den wahren elektrischen Strom (engl. true current oder total current), welcher in der Elektrodynamik eine wesentliche Rolle spielt. Dieser Artikel handelt nur vom Leitungsstrom, weil innerhalb von elektrischen Leitern der Verschiebungsstrom bis zu sehr hohen Frequenzen im Röntgenbereich vernachlässigt werden kann.

Beispiel

Hier nun ein Beispiel zur Verwendung der ersten Definition:

Da in metallischen Leitern die Ladungsträger des elektrischen Stroms, die Elektronen, alle exakt dieselbe Elementarladung $e$ transportieren, kann man aus $I$ auch die Anzahl $n$ der fließenden Elektronen abschätzen. $n$ fließende Elektronen transportieren die Ladung

Q = n\cdot e

Fließt durch einen beliebigen Punkt einer elektrischen Schaltung ein konstanter Strom von 1 Ampere so strömen pro Sekunde

I = {\mathrm{d}Q \over \mathrm{d}t} = {Q \over t} = \frac{n\cdot e}{t} \Rightarrow n = \frac{I\cdot t}{e} \approx \frac{1\ \mathrm{A} \cdot 1\ \mathrm{s}}{1{,}602 \cdot 10^{-19}\ \mathrm{C}} \approx 6{,}242 \cdot 10^{18}

also etwa 6 Trillionen Elektronen durch den Punkt der Schaltung.

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 abgezogen (Pluspol). Hierdurch entsteht eine Potentialdifferenz, eine elektrische Spannung zwischen den Polen. Dieses Spannungsgefälle übt mechanische Kräfte auf die Ladungsträger aus. Diesen besonderen Zustand, in dem mechanische Kräfte auf Ladungsträger ausgeübt werden, bezeichnet man als elektrisches Feld, und dieses existiert immer dann, wenn zwischen beliebigen Raumpunkten elektrische Spannungen bestehen.

Ladungsträger, die diesem elektrischen Feld ausgesetzt sind, erfahren durch die mechanischen Kräfte im geschlossenen Stromkreis über einen elektrischen Widerstand eine Beschleunigung: Ein elektrischer Strom fließt. Die Trennung der Ladungen erforderte (in diesem Beispiel chemische) Energie, die wieder frei wird, wenn der Strom fließt.

In vielen Leitermaterialien ist die elektrische Stromstärke bei konstanter Temperatur proportional zur Spannung. Zur Beschreibung der Abhängigkeit dient die materialabhängige Stoffkonstante der elektrischen Leitfähigkeit. Diese Erfahrungstatsache findet dann etwas vereinfacht als ohmsches Gesetz Anwendung:

I=\frac{U}{R} \qquad [I]=\frac{\Omega}={\rm A}

In einem Stromkreis mit einer Spannungsquelle bestimmt somit die aufgebaute elektrische Spannung, abgekürzt

U

, und die Größe des elektrischen Widerstandes

R

erst die konkrete Stromstärke

I

. Hingegen wird bei Verwendung einer Stromquelle die elektrische Spannung

U

am Widerstand

R

festgelegt. In der Praxis kommen allerdings Spannungsquellen viel häufiger als Stromquellen vor, wie beispielsweise in Stromversorgungen, weshalb sich der konkrete Wert des elektrischen Stromes nach dem elektrischen Widerstand (auch Verbraucher genannt) richtet.

Messung des elektrischen Stromes

Der elektrische Strom kann direkt mit einem Strommesser gemessen werden. Heutzutage wird die Messung meist mit einem Digitalmultimeter vorgenommen, welches neben einem Strommesser auch noch einen Spannungsmesser zur Messung der elektrischen Spannung und auch die Messung des elektrischen Widerstandes bietet.

Für die Messung von sehr großen Strömen misst man die Spannung über einem Messwiderstand. Bei Wechselströmen von ca. 10 A aufwärts kommen auch Stromwandler zum Einsatz. Zur unterbrechungsfreien Messung zu Prüfzwecken eignen sich Zangenstrommesser.

Stromleitung in Metallen

In Metallen, man spricht auch von Leitern erster Klasse, kommt der Stromfluss dadurch zustande, dass im Atomverbund immer eine bestimmte Anzahl freier Elektronen, die sogenannten freien Leitungselektronen (Valenzelektronen) vorkommen. Die Gesamtheit dieser Leitungselektronen in einem Metall wird auch als Elektronengas bezeichnet – die Elektronen verhalten sich ähnlich wie Gasmoleküle und führen ungeordnete Bewegungen aus, welche stark von der Temperatur des Metalls abhängen.

Die eigentliche Stromleitung im Metall kommt durch eine überlagerte Driftbewegung dieser freien Elektronen zustande. Diese Driftbewegung der Ladungsträger im Metall ist dabei vergleichsweise langsam: Die Drifteschwindigkeit der Ladungsträger beträgt beispielsweise bei Kupfer, welches ca. 10²³ Leitungselektronen pro cm³ aufweist, und bei einer typischen Stromdichte von 10 A/mm², nur rund 0,735 mm/s.

Da die Stromleitung in Metallen durch die Elektronen erfolgt und es dabei zu keiner stofflichen Änderung des elektrischen Leiters kommt, spricht man auch von elektronischer Stromleitung.

Ionenleiter

Bei Ionenleitern, man spricht von Leitern zweiter Klasse, kommt es im Gegensatz zu Metallen im Regelfall zu einer stofflichen Veränderung des elektrischen Leiters, ein Effekt, welcher bei der Elektrolyse ausgenutzt wird. Der Stromtransport ist dabei an einen stofflichen Transport von beweglichen, elektrisch geladene Atomen (Ioneen) gebunden. Da die geladenen Atome zum Stromtransport beweglich sein müssen, kommen als Ionenleiter vor allem ionisierte Gase und elektrisch leitfähige Flüssigkeiten in Frage. Man nennt diese Ionenleiter Elektrolyt. Festkörper können in speziellen Fällen auch Ionenleiter sein.

Die chemischen Vorgänge im Elektrolyten verändern dabei allmählich die Beschaffenheit des Leiters und es kommt zu einer allmählichen Erschöpfung der elektrischen Leitfähigkeit. Es liegt daher keine elektronische Stromleitung vor.

Technische Stromarten

Gleichstrom

Als Gleichstrom (engl. Direct Current, abgekürzt DC) wird jener elektrische Strom bezeichnet, welcher über die Zeit nicht seine Richtung und Stärke ändert, also zeitlich konstant ist.

Praktisch alle elektronischen Geräte im Haushalt wie Radio- und Fernsehempfänger, Computer oder auch die Steuerungen heutiger Waschmaschinen benötigten für ihre Stromversorgung Gleichstrom. Aber auch in der Energietechnik werden Gleichströme eingesetzt, beispielsweise in der Schmelzflusselektrolyseen zur Aluminiumgewinnung, für gut drehzahlregelbare Gleichstrommotor (inzwischen zunehmend durch Stromrichter und Asynchronmotornen ersetzt), als Zwischenkreis in Stromrichtern, in Sendeanlage und in Kraftfahrzeug-Bordnetzen.

Gleichstrom kann durch Gleichrichtung aus Wechselstrom gewonnen werden. Gleichrichter werden daher überall dort eingesetzt, wo Gleichstrom aus dem mit Wechselstrom betriebenen öffentlichen Stromnetzn gewonnen werden soll. Weiters gibt es auch direkte Gleichstromquellen, wie z.B. galvanische Zelle und photovoltaische Zellen. Darüber hinaus gibt es auch elektrische Maschinen, welche direkt ohne Gleichrichter mittels der Unipolarinduktion Gleichstrom herstellen können. Ihre technische Bedeutung ist heute jedoch gering.

Wechselstrom

Bei Wechselstrom (engl. Alternating Current, abgekürzt AC) kommt es zu einer laufenden, meist periodischen Änderung der Stromrichtung. Diese periodische Änderung wird als eine Frequenzs ausgedrückt und gibt an, wie oft sich die Stromrichtung pro Sekunde ändert. Der technische Vorteil von Wechselstrom ist sein leichte Umwandelbarkeit zwischen verschiedenen Spannungen mit Hilfe eines Transformator. Daher findet Wechselstrom vor allem in öffentlichen Stromversorgungsnetzen Anwendung. In Europa und vielen anderen Ländern der Welt beträgt die Netzfrequenz der Stromversorgung 50 Hz. In Nordamerika und Teilen von Japan kommen hingegen Netzfrequenzen von 60 Hz zum Einsatz.

Eine besondere Form von Wechselstrom ist der Dreiphasenwechselstrom (umgangssprachlich Stark-, Dreh- oder Kraftstrom), wie er in öffentlichen Stromnetzen zur elektrischen Energieverteilung großer Leistungen Verwendung findet.

Mischstrom

Eine Kombination aus Wechselstrom und Gleichstrom wird Mischstrom genannt. Dabei kommt es nicht unbedingt zu einer kompletten Richtungsänderung des Mischstromes, sondern der zeitlich konstante Gleichstromanteil wird durch den zusätzlich aufgebrachten Wechselstrom in seiner Stärke laufend und meist periodisch geändert. Dieser Mischstrom tritt beispielsweise bei Gleichrichtern auf, und die damit verknüpfte elektrische Spannung wird als Brummspannung bezeichnet.

Technische Nutzung des elektrischen Stroms

Elektrischer Strom ist eines der Verfahren des Energietransports. So wird heute die gesamte Beleuchtung, die meisten Haushaltsgeräte und die gesamte Elektronik und Rechnertechnik mit elektrischer Energie betrieben. Autosenen mit elektrischem Antrieb werden als umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen benzinbetriebenen Gefährten propagiert. Auch medizinische Geräte vom Röntgenapparat über den Kernspintomograph bis hin zum Zahnarztbohrer werden mit elektrischer Energie betrieben.

Elektrische Energie wird zumeist zentral in Kraftwerken erzeugt und über das Stromnetze an die Haushalt 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 Stromausfalln elektrische Energie zur Verfügung steht. 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 Solarzelle für Taschenrechner, oder mittels Brennstoffzellen). Eine direkte Speicherung der elektrischen Energie im großen Maßstab ist derzeit nur durch Wandlung in eine andere Energieform möglich, z. B. mittels Akkumulatoren oder in noch größerem Maßstab z. B. bei Pumpspeicherkraftwerken. Für eher kleinere Energiemengen werden Kondensatoren und Spulen verwendet.

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 „fließt“, ist elektrische Energie. Diese wird ebenfalls nicht verbraucht, wie sich das umgangssprachlich eingebürgert hat, sondern wird umgewandelt, z. B. in mechanische Energie (Motor), Wärmeenergie (Haartrockner) und chemische Energie (z. B. beim Aufladen von Handy-Akkus). Die dabei verrichtete Arbeit (das Produkt aus Spannung, Stromstärke und Zeit) wird durch einen sog. Stromzähler ermittelt. Deswegen wird der „Stromverbrauch“ auch in der Energieeinheit Kilowattstunde, und nicht in der Stromeinheit Ampere gezählt.

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 wird das eigentliche Telefonnetz heutzutage immer mehr 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.

Stromstärketabelle

Strom bei einer Taschenlampe: ca. 0,2 A = 200 mA
Strom bei einem Ventilator: ca. 0,12 A = 120 mA
Strom einer Zimmerbeleuchtung: ca. 0,2 A bis 1 A (200 mA bis 1.000 mA)
Strom zum Betrieb einer Elektrolokomotive: über 300 A
Strom in einem Blitz: ca. 100.000 A bis 1.000.000 A

Körperliche Auswirkungen des elektrischen Stromes

Elektrische Ströme sind ab einer gewissen Stärke für den menschlichen Organismus spürbar und bei höheren Stromstärken gefährlich. Man spricht dann auch von einem Stromschlag. Außerdem ist Gefährlichkeit der Stromstärke stark von der Einwirkdauer und auch von der Frequenz abhängig. So sind bei Gleichstrom höhere Stromstärken zulässig als bei technischem Wechselstrom von 50–60 Hz. Hochfrequente Wechselströme hingegen sind wesentlich weniger gefährlich, da diese Ströme durch den Skineffekt nur in den obersten Hautschichten fließen und daher nicht im Körperinneren liegende Organe wie das Herz beeinflussen.

Die folgende Tabelle gilt für Wechselstrom von ca. 50–60 Hz:

Stromstärke physiologische Auswirkungen
1 mA Wahrnehmbarkeitsschwelle: Unter diesem Wert sind elektrische Ströme für den Menschen kaum wahrnehmbar
1 mA – 15 mA Hier treten Muskelverkrampfungen auf. Der Stromeinfluss kann auch über längere Zeit ertragen werden
15 mA Loslassschwelle: Ab dieser Stromstärke kann ein unter Spannung stehender blanker Leiter nicht mehr losgelassen werden. Es treten stärkere Verkrampfungen auf. Strom kann nur kurzzeitig ertragen werden.
50 mA Gefahrenschwelle: Bei längerer Einwirkung kann Bewusstlosigkeit auftreten.
100 mA Bei Körperdurchströmungen, die länger als eine Herzperiode dauern, beginnt die tödliche Wirkung des Stromes.

Diese Werte sind statistische Werte, die je nach körperlicher Konstitution streuen können. Außer der Stromstärke und der Frequenz sind auch die Einwirkungsdauer und der Stromweg entscheidend. Besonders gefährlich sind dabei jene Stromwege, wo der Strom über das Herz fließt.

Durch den elektrischen Strom kommt es dabei zu einer störenden Beeinflussung der auch durch elektrische Signale an bestimmten Nervenenden (Synapsen) übertragenen Steuerimpulse des Herzen.

Die nebenstehende Grafik zeigt die Wahrscheinlichkeit einer Gefährdung. Unterhalb der grünen Linie besteht keine Gefährdung. Die weiteren Linien zeigen Bereiche mit steigender Wahrscheinlichkeit für Herzkammerflimmern.

Höhere Ströme als in dem dargestellten Diagramm, ab einigen 1 A aufwärts, verursachen auch schon bei sehr kurzer Einwirkungsdauer zusätzlich zu der nervlichen Beeinflussung vor allem thermische Schäden im biologischen Gewebe (Verbrennungen). Außerdem entstehen in der Brandwunde meist toxische Verbrennungsprodukte. So kommt es bei Stromunfällen in Hochspannungsanlagen und im Bereich der elektrischen Oberleitungen bei der Bahn und selten auch bei direkten Blitzschlägen zu Verbrennungen am menschlichen Körper bei dem Stromeintritts- und Stromaustrittspunkt.

Ströme im Bereich einiger Ampere sind mit sehr großer Wahrscheinlichkeit tödlich.

Für den Körperwiderstand sollte als Höchstwert mit etwa 2 kOhm gerechnet werden; bei feuchter oder dünner Haut (z. B. bei Babys) ist der Wert deutlich kleiner.

Siehe auch

Literatur

Karl Küpfmüller: Theoretische Elektrotechnik und Elektronik, 14. Auflage, Springer Verlag, ISBN 3-540-56500-0