Elektrischer Strom

Strom ist bewegte Ladung. Sobald eine Spannung an einem geschlossenen Stromkreis anliegt, setzen sich die freien Ladungsträger in Bewegung – in Metallen die Elektronen, in Flüssigkeiten und Gasen die Ionen. Wie viel Ladung pro Sekunde fließt, gibt die Stromstärke an. Sie entscheidet, wie warm ein Leiter wird, wie hell eine LED leuchtet und wie breit eine Leiterbahn sein muss.

Stromstärke und Einheit

Die Stromstärke I ist die Ladung Q, die in der Zeit t durch einen Leiterquerschnitt fließt:

Ihre Einheit ist das Ampere (A), benannt nach André-Marie Ampère. 1 A bedeutet, dass pro Sekunde 1 Coulomb Ladung fließt – das sind rund 6,24 · 10¹⁸ Elektronen. Das Ampere ist eine der sieben SI-Basiseinheiten und seit 2019 über die feste Elementarladung definiert.

Ein anschaulicher Vergleich ist Wasser im Rohr: Je mehr Liter pro Sekunde an einer Stelle vorbeifließen, desto größer der Durchfluss. Beim Strom zählst du statt Litern die Ladungen, die pro Sekunde einen Leiterquerschnitt passieren. In der Elektronik bewegst du dich meist zwischen µA und einigen A, in der Energietechnik geht es bis in den kA-Bereich.

Kennst du Spannung und Widerstand oder Leistung und Spannung, kommst du auch ohne Ladung und Zeit an den Strom – über das ohmsche Gesetz und die Leistung:

Wie bei der Spannung kennzeichnen Groß- und Kleinbuchstaben und Indizes, welcher Strom gemeint ist: I ist ein Gleichstrom oder allgemein die Stromstärke, i der Augenblickswert eines Wechselstroms und î sein Scheitelwert; I_ges ist der Gesamtstrom, I_R1 der Strom durch R1.

Je nach zeitlichem Verlauf unterscheidet man Gleichstrom (Richtung und Stärke bleiben gleich), Wechselstrom (die Richtung kehrt sich periodisch um) und Mischformen – mehr dazu unter Spannungsarten und Stromarten. Eine Sonderform sind Wirbelströme, die ein wechselndes Magnetfeld in massiven Metallteilen selbst hervorruft (siehe Induktion).

Technische und physikalische Stromrichtung

Als man die Stromrichtung festlegte, kannte man die Elektronen noch nicht und nahm an, dass positive Ladungsträger durch den Leiter wandern. Man vereinbarte daher, dass der Strom außerhalb der Quelle vom Pluspol zum Minuspol fließt. Diese technische Stromrichtung (auch konventionelle Stromrichtung) wurde aus praktischen Gründen beibehalten, als die Annahme widerlegt war, und gilt bis heute in allen Schaltplänen, Formeln und Datenblättern.

Später zeigte sich: In Metallen bewegen sich die negativ geladenen Elektronen genau andersherum – der Minuspol stößt sie ab, der Pluspol zieht sie an, sie wandern also außen vom Minus- zum Pluspol. Das ist die physikalische Stromrichtung (Elektronenflussrichtung).

Für die Rechnung macht es keinen Unterschied: Negative Ladung, die nach links wandert, wirkt genauso wie positive Ladung, die nach rechts wandert. Bei Halbleitern bewegen sich ohnehin beide Sorten – Elektronen und Löcher.

Wie schnell fließt Strom?

Die Elektronen selbst sind erstaunlich langsam. Ihre mittlere Driftgeschwindigkeit ergibt sich aus der Stromdichte J = I / A, der Elektronendichte n und der Elementarladung:

Trotzdem leuchtet die Lampe sofort, wenn du den Schalter betätigst. Der Grund: Der Leiter ist bereits voller Elektronen. Was sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, ist das elektrische Feld, das alle Elektronen fast gleichzeitig anschiebt – wie bei einem Wasserschlauch, der schon gefüllt ist. Auf einer Leiterplatte beträgt diese Signalgeschwindigkeit etwa die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit, rund 15 cm pro Nanosekunde.

Wirkungen des Stroms

Strom selbst ist unsichtbar; du erkennst ihn an seinen Wirkungen:

• Wärmewirkung – tritt immer auf, wenn Strom durch einen Widerstand fließt. Genutzt in Heizungen und Schmelzsicherungen, unerwünscht als Verlust in Leitungen und Bauteilen (siehe Elektrische Leistung).
• Magnetische Wirkung – tritt ebenfalls immer auf: Jeder Strom ist von einem Magnetfeld umgeben. Grundlage von Motoren, Relais und Transformatoren (siehe Elektromagnetismus).
• Lichtwirkung – in Glühlampen über die Wärme, in LEDs und Gasentladungslampen direkt.
• Chemische Wirkung – in Elektrolyten werden Stoffe zersetzt oder abgeschieden, etwa beim Galvanisieren oder Laden eines Akkus (siehe Elektrolyse).
• Physiologische Wirkung – Strom reizt Nerven und Muskeln. Schon einige zehn Milliampere Wechselstrom durch den Körper können bei längerer Einwirkung Herzkammerflimmern auslösen (Details unter Gefahren des elektrischen Stroms).

Strom messen

Strom misst du in Reihe – der Stromkreis wird aufgetrennt und das Amperemeter eingefügt, damit der gesamte Strom hindurchfließt. Ein Amperemeter hat einen sehr kleinen Innenwiderstand. Schließt du es versehentlich parallel zu einer Spannungsquelle an, entsteht ein Kurzschluss. Die Details stehen unter Strom messen.

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